Studienarbeit
Das Rennrad
Physik Aerodynamik Technik Fertigungsverfahren Werkstoffe
Biomechanik
Name:
Thomas H. Mehlitz
Kurs:
TMB01BFT
Studienarbeit Rennradtechnik
1
Mehlitz 2004
Vorwort
Faszination Rennrad: Kaum ein anderes Sportgerät löst so viele Emotionen aus und
verbindet den Maschinenbau so ästhetisch mit dem Menschen. Dabei ist das Rennrad
die effektivste Methode sich mit eigener Muskelkraft fortzubewegen.
Seine Attribute: Geschwindigkeit und Leichtigkeit - durch die immer weiter verbesser-
te Technik nähert sich das Rennrad von Jahr zu Jahr (und das schon seit mehr als
100 Jahren) immer mehr dem Zustand der Perfektion. Was auch den Alltagsradler
heute freut, sind vielfach Entwicklungen, die es ohne das Rennrad nie gegeben hät-
te. Der Schnellspanner, die Aluminiumkurbeln oder die Gangschaltung sind hierfür
typische Beispiele. Sie wurden für den Profiradsport entwickelt.
Grund genug, die Faszination mit dieser Studienarbeit zu honorieren und einen Blick
hinter die Kulissen zu werfen. Was steckt maschinenbaulich hinter dem Rennrad?
Welche Werkstoffe werden heutzutage verwendet? Welche Rolle spielt die Aerody-
namik während des Fahrens? Wie wird ein Rahmen hergestellt? Verbunden mit ganz
elementaren Fragen wie: Warum fährt ein Rennrad überhaupt?
Diese Studienarbeit soll ein umfassendes Werk werden, das den Anspruch hat, die
maschinenbaulichen und physikalischen Aspekte eines Rennrades zu erläutern. Es
soll gleichermaßen als Nachschlagewerk und kleines Lehrbuch über die Technik eines
Rennrades zu gebrauchen sein.
Die Passion ,,Rennradfahren" soll hier auf verständliche Weise mit der Passion des
Maschinenbaus verknüpft werden. Da die Popularität des Rennradsports ständig zu-
nimmt, nimmt auch die Popularität des Rennrades und damit des Rennradfahrens
weiter zu. Zumal auch durch die Sportarten Duathlon und Triathlon das Rennrad
technisch immer weiter verbessert wird und die großen Athleten dieser Welt Renn-
maschinen im Wert von mehr als 10.000 Euro bewegen. Das Rennrad bleibt jedoch
trotz aller technischen Vorstöße immer eine Technik zum Anfassen und Selbstbasteln.
Herrn Prof. K. Hoseus danke ich für die freundliche Betreuung und die wertvollen
Hinweise.
Mannheim, Juni 2004
Studienarbeit Rennradtechnik
2
Mehlitz 2004
I. Inhaltsverzeichnis
V
ORWORT
1
I. INHALTSVERZEICHNIS
2
II. ABKÜRZUNGS- UND FORMELZEICHENVERZEICHNIS 4
1. EINLEITUNG
5
1.1
G
ESCHICHTE DES
F
AHRRADES
/R
ENNRADES
5
1.2
F
AHRRADTYPEN
9
1.3
D
IE
T
YPOLOGIE DES
R
ENNRADES
11
1.4
B
AUTEILE UND
B
AUGRUPPEN
12
2. PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN
14
2.1
W
ARUM KANN MAN ÜBERHAUPT
F
AHRRAD FAHREN
? 14
2.2
W
IDERSTÄNDE
17
2.2.1
F
AHRWIDERSTÄNDE
F
F
18
2.2.2
F
AHRRADWIDERSTÄNDE
21
2.3
A
RBEIT
,
E
NERGIE
,
D
REHMOMENT UND
L
EISTUNG
23
2.4
B
REMSEN
/B
REMSVERHALTEN
24
2.4.1
A
LLGEMEINES
24
2.4.2
B
REMSVORGANG
25
2.4.3
W
EITERE
B
REMSPHYSIK
26
2.4.4
B
REMSFLATTERN
28
2.5
G
ETRIEBEÜBERSETZUNG
28
3. AERODYNAMIK
30
3.1
D
ER
L
UFTWIDERSTAND
30
3.1.1
S
TIRNFLÄCHE
A
31
3.1.2
C
W
-
W
ERT
34
3.2
S
ITZPOSITION
36
3.3
A
ERODYNAMISCHE
O
PTIMIERUNGEN
39
3.4
W
INDSCHATTENFAHREN
45
Studienarbeit Rennradtechnik
3
Mehlitz 2004
4. TECHNIK
47
4.1
D
ER
R
AHMEN
47
4.1.1
G
EOMETRIE
48
4.1.2
F
ERTIGUNGSVERFAHREN
50
4.1.3
W
ERKSTOFFE
57
4.1.4
R
AHMENBELASTUNGEN UND
A
USLEGUNG
60
4.2
L
AUFRÄDER
62
4.2.1
N
ABE
62
4.2.2
S
PEICHEN
64
4.2.3
F
ELGE
68
4.2.4
R
EIFEN
72
4.2.5
S
ONDERBAUFORMEN
75
4.3
S
ATTEL
/S
ATTELSTÜTZE
79
4.3.1
S
ATTEL
79
4.3.2
S
ATTELSTÜTZE
81
4.4
S
TEUEREINHEIT
83
4.4.1
G
ABEL
83
4.4.2
S
TEUERSATZ
85
4.4.3
V
ORBAU
87
4.4.4
L
ENKER
90
4.5
K
OMPONENTEN
92
4.5.1
B
REMSEN
92
4.5.2
S
CHALTUNG
94
4.5.3
B
REMS
-/S
CHALTHEBEL
96
4.5.4
A
NTRIEBSSTRANG
97
4.6
Ü
BERSETZUNG
104
4.7
P
EDALE
110
5. BIOMECHANIK
113
5.1
B
ETEILIGTE
M
USKELN
113
5.2
T
RITTFREQUENZ
114
5.3
D
ER
,,RUNDE
TRITT" 116
5.4
E
NERGIEBILANZ
117
6. SCHLUSSBEMERKUNG
119
7. QUELLENVERZEICHNIS
120
Studienarbeit Rennradtechnik
4
Mehlitz 2004
II. Abkürzungs- und Formelzeichenverzeichnis
STVO:
Straßenverkehrsordnung
STVZO: Straßenverkehrszulassungsordnung
Gl:
Gleichung
E- Modul:
Elastizitätsmodul
Alu:
Aluminium
N
Newton (physikalische Einheit für Kraft)
UCI:
Union
Cycliste
Internationale (Dachverband des Rennradsports)
Studienarbeit Rennradtechnik
5
Mehlitz 2004
Bild 1-1: Laufrad von Drais
Bild 1-2: Laufrad von Drais wäh-
rend der Fahrt von
Mannheim nach Schwetzingen
1. Einleitung
In der Einleitung sollen kurz allgemeine Erklärungen zum Fahrrad erörtert werden.
Eine Abgrenzung des Rennrades zu anderen Fahrradtypen wird ebenso gegeben wie
auch eine Skizze mit Erklärungen zum Rennrad um in die Fachterminologie einzustei-
gen
1.1 Geschichte des Fahrrades/Rennrades
Im Folgenden soll kurz die Geschichte des Fahrrades und später des Rennrades ge-
schildert werden:
Laufrad von Drais 1817
1817 erfand der badische Forstbeamte Freiherr Karl
von Drais eine Laufmaschine, um längere Strecken
schneller zurückzulegen. Nach dem Erfinder hießen
die Laufmaschinen Draisinen. Hierbei waren die Beine
vom Körpergewicht entlastet und der Schwerpunkt
blieb bei ebener Strecke stets auf gleicher Höhe
(ZDF, 2004).
Die Zeitungen meldeten (Draisine, 2001):
"Freiherr von Drais lief von Mannheim nach Schwet-
zingen in einer kleinen Stunde, die Postkutsche
braucht dafür vier Stunden."
(Bild 1-2)
Die Draisine war, wie in Bild 1-1 ersichtlich, fast aus-
schließlich aus Holz gefertigt. Der Geschwindigkeitsre-
kord lag bei ca. 15 km/h (Veith, 2001).
Pedalveloziped und Hochrad (1861-1880)
Ab 1861 tauchten in Frankreich Räder mit einem Pedalantrieb beim Vorderrad auf.
Zum Betrieb dieses Fahrrads brauchte man schon eine gewisse Geschicklichkeit, da
Studienarbeit Rennradtechnik
6
Mehlitz 2004
die Beine während der Fahrt keinen Bodenkontakt hatten.
Bei einer vollen Pedalumdrehung dreht sich das Vorderrad
genau einmal.
Diese Räder nannte man auch "Knochenschüttler": Die Fel-
gen der Räder waren noch nicht "luftbereift", so dass der
Fahrer, der sich jetzt völlig auf dem Fahrrad befand, jede
Erschütterung zu spüren bekam. Erst mit der Einführung der
pneumatischen Reifen (1888 durch Dunlop) konnte der
Fahrkomfort erhöht werden.
Ende des 19. Jahrhunderts wurde das Hochrad (Bild 1-3a) dann nach England ,,ex-
portiert". Dort fanden auch die ersten Hochradrennen statt. Die Entwicklung ging
sehr schnell voran, da die Engländer immer das Bestreben hatten noch schnellere
Fahrräder zu bauen. Vom englischen Konstrukteur Humber wurde 1890 der Fünfeck-
oder Trapezrahmen erfunden. Diese Rahmen haben sich im Grundsatz bis zum heu-
tigen Tag als Fahrradrahmen bewährt. Ein Rahmen aus zwei Dreiecken, mit sehr viel
Stabilität und Stoßfestigkeit. 1898 führt Moreau den Freilauf im Hinterrad ein ab
jetzt muss bei Bergabfahrten nicht mehr mitgekurbelt zu werden.
Das erste größere Radrennen fand 1880 im Nüncher- Velociped- Club statt, es war
vier Kilometer lang und brauchte eine Zeit von 11:21 Minuten. 1881 konnte man
beim gleichen Veranstalter schon ausländische Konkurrenz unter 24 Teilnehmern be-
grüßen.
Da sich in den letzen 100 Jahren
keine grundlegenden Dinge in der
Konstruktion des Fahrrades geän-
dert haben, folgt nun eine Doku-
mentation, welche Änderungen sich
im Rennradbereich ergeben haben
(Veith, 2001).
Die ,,Panther Werke" sind die älteste deutsche Fahrradfabrik (gegründet 1893). Das
Rennrad Panther Modell 60 (Bild 1-3b) zeigt ein typisches Rennrad, kurz nach der
Bild 1-3a: Hochrad mit
Kurbelantrieb
Bild 1-3b: Der Panther, Modell 60, 1903
Studienarbeit Rennradtechnik
7
Mehlitz 2004
Jahrhundertwende. Der Diamantrahmen ist für heutige Verhältnisse sehr groß, das
riesige Kettenrad springt ins Auge.
Das gezeigte MIFA Rennrad (Bild 1-4) ist
das herausragende deutsche Straßenrenn-
rad der 20er Jahre. Auffällig ist der kurze
Radstand und der elegante Rahmenbauwei-
se: Alle blanken Teile sind vernickelt; Der
Rahmen besteht aus englischem Reynolds-
rohren; die Ausfallenden sind geschmiedet.
Der erste Aluminiumrahmen wurde Anfang der
30er Jahre von der Firma Diamant entwickelt (Bild
1-5). Es sollte eine rasante Entwicklung des Werk-
stoffes
folgen.
Über die
Zeit des 2. Weltkrieges hinweg stagnierte
die Rennradentwicklung ein wenig. Italie-
nische Hersteller verbreiteten sich auf dem
Rennradmarkt. Sie standen für technische
Raffinessen wie z.B. verchromte Steuer-
kopfmuffe, die Klemmung der Sattelstütze per
Schelle oder die Verlegung des Bremszuges
durchs Oberrohr, hier am Modell Rondine des
italienischen Herstellers Olmo (Bild 1-6). Die
Anbauteile bestehen vielfach aus Stahl, Alumi-
nium war in den ersten Nachkriegsjahren wie-
der seltener geworden.
Eine sehr typische italienische Rennmaschine aus dem Jahre 1960 zeigt Bild 1-7. Auf-
fallend, dass seit den 50er Jahren auch an italienischen Rennräder wieder deutsche,
französische und belgische Komponenten und Anbauteile wie Bremsen oder Pedale
verbaut wurden (Rehbein, 2004).
Bild 1-4: MIFA, 1925
Bild 1-5: Diamant Aluminium-
rahmen, 1935
Bild 1-6: Olmo, Modell Rondine, 1948
Bild 1-7: Cinelli, Modell Super Corso, 1960
Studienarbeit Rennradtechnik
8
Mehlitz 2004
Die englische Firma Speedwell (in
Bild 1-8 mit dem Modell Mark IV)
gehörte zu den ersten Firmen, die
Rennradrahmen aus Titan her-
stellten, wessen Verarbeitung
aufwendig und kostenintensiv ist.
Die Produktion startete zu Beginn
der siebziger Jahre. Die Rahmen
mussten unter Ausschluss von
Sauerstoff in einer Schutzgasatmosphäre geschweißt werden. Die Rahmen waren
teuer und exklusiv. Das Image der exklusiven Rahmen litt unter Rahmen- und Gabel-
brüchen. Zudem waren sie extrem weich und instabil. Die Konstrukteure hatten keine
materialspezifischen Rahmen konstruiert, sondern den klassischen Stahlrahmen in
Titan nachgebaut. Dies war sicher auch ein Zugeständnis an den Zeitgeschmack.
Zur gleichen Zeit waren andere Hersteller
immer noch damit beschäftigt, ihre Stahl-
rahmen weiterzuentwickeln. Einen typi-
schen Stahlrahmen zeigt Bild 1-9. Mittler-
weile wurden die Rahmen muffenlos ge-
schweißt und gelötet. Auch der Einsatz
von Kunststoff (hier z.B. der Bremshebel)
war typisch für die 80er Jahre. Weiterhin
werden seit diesem Zeitpunkt Säbelspei-
chen anstatt der üblichen Zylinderform eingesetzt um den Luftwiderstand zu verrin-
gern (Rehbein, 2004).
Es besitzt bereits viele Details, die heute Standard bei Straßenrennrädern sind. Der
Aheadset, die Carbongabel und der integrierte Steuersatz zeigen, dass technisch
Machbare und Sinnvolle auf.
Eine weiterentwickelte 6061 Aluminium- Legierung als Basis, perfekte Verarbeitung
und eine Lackierung, welche die Farbe je nach Blickwinkel ändert, setzten Maßstäbe
im Rennradrahmenbau. Auch der kombinierte Bremsschalthebel ist seit Anfang der
Bild 1-8: Speedwell, Model Mark IV, 1979
Bild 1-9: Cinelli, Modell Laser, 1981
Studienarbeit Rennradtechnik
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Mehlitz 2004
Bild 1-11: Stadtrad
90er Jahre Standart geworden. Das Klein Modell Quantum pro von 1995 (Bild 1-10)
galt als eines der exklusivsten, teu-
ersten und besten Rennräder sei-
ner Zeit.
Seit Ende der 80er Jahre stieg die
Zahl der Aluminiumrahmen immer
weiter an. Heutzutage sind ca.
80% aller Rennradrahmen aus A-
luminium. In Bereichen des Tri-
athlons oder Zeitfahrens werden
seit mehreren Jahren auch Rahmen
aus Carbon eingesetzt (Gronen & Lemke, 1978; Rehbein, 2004).
1.2 Fahrradtypen
Die Unterscheidungen sind nicht standardisiert, die Bezeichnungen unterliegen Mo-
den und sind nicht immer scharf zu trennen. Hier der Versuch, sie dennoch zu ord-
nen:
Allgemein
Stadtrad, City-Rad
- robustes Rad mit
Gepäckträger für den Alltag, wie der Name
schon sagt, ein Rad für die Stadt.
Kennzeichen: Bequeme Sitzposition, eher
aufrecht als gebeugt, 3-, 5- oder 7-Gang
Nabenschaltung, gute Gepäckträger, Laufräder oft 26 Zoll, breit bereift. Die häufig
verwendeten Einrohr-Unisex- Rahmen beim City- Rad ermöglichen einfaches und
gefahrlosen Auf- und Absteigen und sind - gute Qualität vorausgesetzt - erstaunlich
stabil.
Bild 1-10: Klein, Modell Quantum pro, 1995
Studienarbeit Rennradtechnik
10
Mehlitz 2004
Reiserad, Tourenrad
- tourengeeignetes Rad
mit Gangschaltung und Gepäckträger. Kenn-
zeichen: sportliche Rahmengeometrie, ge-
neigte Sitzposition, große 28 Zoll-Laufräder
mit mittelbreiter Bereifung, 24-Gang-Ketten-
oder 7-Gang-Nabenschaltung.
Trekkingrad, ATB (All Terrain Bike)
- Weiterentwicklung des Reiserads mit Anleihen
beim Mountainbike; Mischung aus Trekking- und Mountain- Bike. Damit soll man sich
auf der Straße wie im Gelände wohl fühlen. Unterschiedlichste Varianten.
Tandem
- ein Fahrrad für zwei Personen
Lastenfahrrad
- 2- oder 3- rädrige Ausfüh-
rung für Post usw.
Liegerad
- mit tief liegendem Sitz mit Rü-
ckenlehne und vorne angebrachten Kur-
beln.
Dreirad
- als Behindertenfahrrad, Rikscha oder als Variante des Liegerads
Velomobil
- Liegedreirad mit Karosserie
Faltrad, Klapprad
- falt- oder zerlegbares
Rad jeder Kategorie
Mountainbike, MTB
- robustes, leichtes Rad
für Rennen in unbefestigtem, bergigem Ge-
lände; Fahrradgattung für den Einsatz ab-
seits asphaltierter Straßen, zahlreiche Vari-
anten. Kennzeichen: relativ kleine Rahmen,
oft mit ungewöhnlicher Geometrie, inzwischen häufig mit Federung, 26 Zoll Laufräder
mit grobstolliger Bereifung, Räder als Off-Road-Modelle ohne Sicherheitsausstattung
nach StVO, 24-Gang-Kettenschaltung mit weitem Übersetzungsbereich
Bild 1-13: Liegerad
Bild 1-14: Mountainbike
Bild 1-12: Reiserad
Studienarbeit Rennradtechnik
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Mehlitz 2004
BMX- Rad
- kleinrädiges Rad für Akrobaten
Radballrad
- für die Sportarten Radball und Radpolo
Kunstrad
- für die Sportart Kunstradfahren
Rennrad Beschreibung siehe Kap. 1.3
Diese Studienarbeit wird sich nur mit dem Fahrradtypen Rennrad beschäftigen.
1.3 Die Typologie des Rennrades
Auch das Rennrad selbst wird in mehrere Typen unterschieden, hier eine Auflistung
der häufigsten. Da die Rahmengeometrie eine der entscheidensten Merkmale und
der wirkliche Unterschied ist, zeigt Bild 1-15 diese explizit.
Straßenmaschine
Universell vom Flachland bis zu den steilsten Bergpässen. Einsatzgebiet sind Ama-
teur- und Profirennen, Touristikveranstaltungen (RTF) sowie Trainingsfahrten.
Crossmaschine
Ein Rennrad für den Off-Road- Betrieb welchen erheblich mehr Geschicklichkeit er-
fordert als ein Mountainbike. Eingesetzt bei Querfeldeinrennen oder training.
Bahnmaschine
Ein Rad, das nur auf der Bahn, und damit innerhalb eines Gebäudes oder einer Halle,
benutzt wird. Es hat nur eine Übersetzung, keine Bremsen, keinen Freilauf und wird
zu Einzel- oder Mannschaftswettbewerben auf der Bahn eingesetzt. Auch Rekordfahr-
ten werden aufgrund des minimalen Gewichtes auf Bahnmaschinen durchgeführt.
Studienarbeit Rennradtechnik
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Mehlitz 2004
Zeitfahrmaschine
Aerodynamisch optimiertes Rennrad welches aus Sicherheitsgründen nur in Einzel-
wettbewerben im Zeitfahren oder im Training eingesetzt werden darf. Sehr leicht und
mit großer Übersetzung bestückt.
Triathlonmaschine
Das Sportgerät des Triathleten (Sportler die die Sportarten Schwimmen, Radfahren,
Laufen miteinander kombinieren). Ähnlich der Zeitmaschine auf optimierte Aerody-
namik und damit hohe Geschwindigkeiten ausgelegt. Markantes Merkmal ist der
,,Liegelenker" und die große Übersetzung. Eingesetzt wird die Triathlonmaschine in
Triathlonwettkämpfen sowie training.
1.4 Bauteile und Baugruppen
In diesem Kapitel sollen kurz die Baugruppen und Komponenten eines Rennrades
erklärt werden, um im Verlaufe der Studienarbeit diese als Fachausdrücke verwenden
zu können. Bild 1-16 gibt vorweg eine grafische Übersicht, darunter folgt eine sepa-
rate Beschreibung der wichtigsten Elemente.
Bild 1-15: Rahmengeo-
metrien der typischsten
Rennräder
Studienarbeit Rennradtechnik
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Mehlitz 2004
Rahmen:
Tragendes Zentral-Bauteil des Rennrades. Dient als Halterung und Grund-
gerüst zur Aufnahme der Laufräder, des Antriebes sowie der Steuersysteme.
Laufräder:
Allgemeine Bezeichnung für Vorder- und Hinterrad. Bestandteile des Lauf-
rades sind Felgen, Nabe, Speichen, Schlauch und Reifen.
Gabel: Separates, drehbares Rahmenteil zur Aufnahme des Vorderrades.
Schaltung:
Vorrichtung zum Wechseln der Gänge während der Fahrt. Am Rennrad
ausgeführt durch Ritzel und Schaltwerk am Hinterrad und Ritzel mit Umwerfer am
Tretlager. Wechsel der Stellung von Schaltwerk und Umwerfer erfolgt durch verstel-
len des Schalthebels und mechanische Übertragung durch einen Schaltzug.
Bremsen:
Einrichtung zum Verzögern des Rennrades. Beim Rennrad realisiert durch
Felgenbremsen, die durch einen Bremshebel am Lenker und einen Seilzug angesteu-
ert wird.
Lenker:
Steuereinrichtung (hauptsächlich bei Langsamfahrt); über Vorbau mit der
Gabel verbunden; Trägt einen Teil des Körpergewichts; Für das Rennrad typisch ist
der gebogene Lenker
Sattel:
Hinterer Kontaktpunkt Mensch-Fahrrad; Fahrkomfort und Halt sind wichtige
Funktionen.
Bild 1-16: Bauteilbezeichnung an einem Rennrad
Studienarbeit Rennradtechnik
14
Mehlitz 2004
Abb. 2-2: Präzessionsbewegungen
Bild 2-1: Die freien Achsen am Vorderrad
2. Physikalische Grundlagen
Das Rennrad, oder hier allgemein das Fahrrad beruht auf verschiedenen physikali-
schen Prinzipien. Die fahrradtypischen Eigenschaften beruhen alle auf physikalischen
Gesetzen, die hier verständlich mit der Technik verknüpft werden.
2.1 Warum kann man überhaupt Fahrrad fahren?
Eine der interessantsten Fragen im Bereich der Fahrradphysik ist die, wie eigentlich
das Gleichgewichthalten während der Fahrt passiert. Was in der Praxis als natürlich
und unkompliziert angesehen wird, hat auch physikalische Hintergründe.
So muss um eine Geradeausfahrt gewährleisten
zu können der Fahrer immer kleine
Schlangenlinien fahren. Das Gleichgewicht
halten und Geradeausfahren hat also in der
Lenkung und Lenkfähigkeit des Rades ihren
Ursprung. Technisch gesehen sind das
Zusammenspiel von Kreiselkräften, Nachlauf,
Richtkraft und Fliehkraft dafür verantwortlich.
Hier soll nun erst einmal der Begriff und die
Physik des Kreisels eingeführt werden:
Kreisel sind starre, rotationssymmetrische Körper, die das Bestreben haben bei Dre-
hung um die eigene Drehachse (siehe Bild 2-1), die Achslage zu stabilisieren. Je
schneller sich der Kreisel dreht, desto stabiler ist auch seine Achslage. Man spricht
dann auch von einem Präzessionslauf oder einer
Präzessionsbewegung. Genauer gesagt ist die
Präzession die Bewegung, die versucht, den
Kreisel bei Einwirken äußerer Kräfte (z.B.
F
in
Abb. 2-2) auf die Hochachse (siehe Abb. 2-1)
wieder aufzurichten und damit den Geradeauslauf
zu stabilisieren. Physikalisch ausgedrückt,
versucht der Drehimpuls eines Rades mit Hilfe des Drehimpulserhaltungssatzes die
Studienarbeit Rennradtechnik
15
Mehlitz 2004
Balance zu halten. Leichtes Kippen des Rades um die Längsachse (Kippmoment
o
M
durch z.B. eine Kraft
F
wie in Abb. 2-2) lässt das Vorderrad mit
o
p
Z
präzedieren
und es dreht sich in die gewünschte Fahrtrichtung (Bild 2-2b). Wirkt eine Kraft bei-
spielsweise kippend nach rechts, so führt der Kreisel (bzw. der Drehimpuls) ,,automa-
tisch" eine Drehung um die Hochachse nach rechts aus um das Rad ,,aufzufangen"
und ein Umfallen zu verhindern.
Am Rennrad können die Laufräder als Krei-
sel angesehen werden und helfen somit das
Rennrad (gerade bei höheren Geschwindig-
keiten) zu stabilisieren. Als äußere Kraft ist
jede Tretbewegung während der Fahrt zu
sehen. Des Weiteren hat der
Nachlauf
einen
entscheidenden Einfluss auf Stabilität und
Lenkvorgang. Der Nachlauf ist die Länge
mit der der Aufstandspunkt des Vorderra-
des der gedachten Mittelachse des Steuer-
rohrs ,,hinterherläuft" (deutlich gemacht in Bild 2-3). Die Kreiselkräfte wirken nun
durch den Nachlauf (als Hebelarm) mit in die Lenkbewegung ein. Wobei ein langer
Bild 2-3: Messgröße Nachlauf
B
A
Bild. 2-4: Teewageneffekt: Moment (Hebelarm x Reibungskraft) stellt Vorderrad gerade
Fahrtrichtung
Aufstandspunkt Rei-
fen (B)
Gedachter Aufstands-
punkt der Mittelachse
Rad will sich gerade
stellen
Hebelarm
Reibungskraft
Vortriebskraft
Studienarbeit Rennradtechnik
16
Mehlitz 2004
Nachlauf ein sehr richtungsstabiles Fahrverhalten bei höheren Geschwindigkeiten
bewirkt.
Dadurch werden natürlich auch die Lenkkräfte größer, und bei langsamer Fahrt lässt
sich das Rad schwieriger steuern weil die Lenkung anfängt zu wackeln. Je kürzer der
Nachlauf, desto wendiger ist das Rad, und somit lässt es sich bei geringeren Ge-
schwindigkeiten leichter steuern. Im Gegensatz dazu nehmen aber das Flatterverhal-
ten und die Geradeauslaufstabilität ab. (Weitere Details und Konstruktionsmöglichkei-
ten in
Kapitel 4.4 Steuereinheit
)
Eine weitere Einflussgröße für die Stabilität eines Rennrades ist die
Richtkraft
. Da das
Vorderrad hinter seiner Drehachse herläuft, bekommt es durch den Rollwiderstand
des Reifens eine weitere stabilisierende Kraftkomponente. Man spricht in der Fahr-
zeugtechnik auch vom ,,Teewageneffekt". Bild 2-4 verdeutlicht dieses.
Letzter zu beschreibende Kraft ist die
Fliehkraft
: Aufgrund ihrer Masse haben Körper
das Bestreben ihre Bewegungsrichtung beizubehalten (-> Trägheit). Wenn sie in eine
Kurve gezwungen werden, versuchen sie mittels der Fliehkraft, die radial vom Mittel-
punkt weg nach außen gerichtet ist, der gezwungenen Kraft zu entfliehen. Deshalb
wirkt die Fliehkraft bei einer Kurvenfahrt nach außen (siehe Bild 2-5) und versucht
das Rennrad wieder aufzurichten (Etzel & Smolik, 2002; Gressmann, 2003; Tour
Magazin).
Die oben genannten physikalischen Effekte
und technischen Ausführungen sind im
Wechselspiel für die Gleichgewichthaltung
verantwortlich. Da der Fahrer durch die
Tretbewegung nicht immer gerade auf sei-
nem Rennrad sitzt, neigt sich das Rad mal
nach rechts und mal nach links.
Das als Kreisel anzusehende Vorderrad
kippt also ein wenig zur Seite. Das wieder-
um bewirkt durch den Hebelarm des Nach-
laufs (gedämpft durch die Richtkraft) eine
Lenkbewegung zur gleichen Richtung. Die
Bild 2-5: Fliehkraft ver-
sucht Rad aufzurichten
Studienarbeit Rennradtechnik
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Mehlitz 2004
Fliehkraft wirkt nun auf das Rad und den Fahrer und richtet dieses wieder auf. Da die
Fliehkraft meist zu groß ist, ,,schwingt" das Fahrrad ein wenig zur anderen Seite ü-
ber, worauf natürlich eine Lenkbewegung zu dieser Seite erfolgt und eine kleine Kur-
ve in diese Richtung gefahren wird. Dieser komplette Vorgang läuft unendlich oft, so
gut wie ,,automatisch" ab. Der Radfahrer merkt nichts davon, trotzdem fährt er bei
einer Geradeausfahrt immer ,,Schlangenlinien".
Probleme entstehen allerdings bei langsamer Fahrt, denn dann nehmen auch die
Kreiselkräfte des Vorderrades ab, und der Fahrer muss selbst die Kippbewegung des
Vorderrads durch eine Lenkbewegung ausgleichen. Die Schlangenlinienfahrt wird nun
extremer. In Fachkreisen spricht man hier von
übersteuern
. Mit steigender Laufge-
schwindigkeit werden die Kreiselkräfte größer und der Fahrer muss nicht mehr aktiv
durch Lenkbewegungen in die ,,Gleichgewichtsfahrt" eingreifen. Bei sehr hohem
Tempo muss der Fahrer dann auch das Lenken nicht mehr durch eine Lenkbewegung
durchführen sondern kann durch einfache Gewichtsverlagerung (meist durch Schräg-
lage) seine Fahrtrichtung ändern. Es ist bei hoher Geschwindigkeit somit wesentlich
einfacher sein Sportgerät präzise in eine Kurve einzusteuern (Gressmann, 2003).
2.2 Widerstände
Wie aus Bild 2-6 ersichtlich
wird, muss um ein Rennrad zu
bewegen die Gesamtwider-
standskraft
F
ges
überwunden
werden. Je größer der Ge-
samtwiderstand, desto größer
muss auch die Antriebskraft
F
A
und damit die Muskelarbeit des Radlers sein. Deshalb
wird versucht, die Widerstände so klein wie möglich zu halten. Um das in die Technik
umsetzten zu können, muss erst einmal geklärt werden, wie sich der Gesamtwider-
stand aufteilt und an welcher Stelle es sich lohnt technische Verbesserungen anzu-
bringen.
Bild 2-6: Gesamtwider-
stand und Antriebskraft
Studienarbeit Rennradtechnik
18
Mehlitz 2004
Der Gesamtwiderstand ist allgemein die Summe aller Reibungsverluste und teilt sich
wie folgt auf (Bild 2-7):
2.2.1 Fahrwiderstände
F
F
Bild 2-8 zeigt, wie sich diese Widerstände auf die je-
weilige Geschwindigkeit auswirken. Der Fahrwider-
stand (mit dem Hauptteil Luftwiderstand) ist somit
geschwindigkeitsabhängig.
Bild 2-7: Aufschlüsselung des Gesamtwiderstandes zu seinen Teilwiderstäden
Bild 2-8: Geschwindigkeitsabhän-
gigkeit der Hauptwiderstände
Studienarbeit Rennradtechnik
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2.2.1.1 Beschleunigungswiderstand
F
a
Translatorischer Beschleunigungswiderstand
Beschleunigungswiderstände oder auch Beschleunigungskräfte sind Trägheitskräfte,
die infolge von Geschwindigkeitsänderungen auftreten. Dies geschieht z.B. beim An-
fahren (Beschleunigen), beim Abbremsen oder beim Überfahren von Bodenuneben-
heiten. Besonders hierbei können Beschleunigungskräfte so groß werden, dass sie
Teile verbiegen oder sogar brechen. Mit elastischen Bauteilen oder einer ausfedern-
den Fahrhaltung können diese weitgehend aufgefangen werden.
Formelmäßig wird die Beschleunigungskraft
F
b
folgendermaßen ausgedrückt:
]
[N
a
m
F
b
mit
m
= Masse (Fahrer + Rennrad) [kg]
a
= Beschleunigung [m/s²]
Rotatorischer Beschleunigungswiderstand
Auch alle an sich rotierenden Bauteile wie Kurbel, Laufräder, Kettenblatt, usw. unter-
liegen der Trägheit. Ihr Anteil am Gesamtwiderstand ist aufgrund der geringen Mas-
sen jedoch vernachlässigbar gering. Sie wirkt sich als scheinbare Erhöhung der Mas-
se aus.
2.2.1.2 Steigungswiderstand
F
St
Der Steigungswiderstand (oder auch
Hangabtriebskraft) spielt bei Bergfahr-
ten eine wichtige Rolle. Er ist bei stei-
ler Bergauffahrt sogar der Größte zu
überwindende Widerstand. Der Stei-
gungswiderstand ist ein Teil der Ge-
wichtskraft und wirkt parallel zur
Fahrbahn (siehe Bild 2-9).
Bild 2-9: Der Steigungswiderstand ist Teil der Ge-
wichtskraft und wirkt hangabwärts
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Er zieht das Rad samt Fahrer quasi den Berg herunter. Bei Bergabfahrt sorgt sie für
eine Beschleunigung (sie zieht den Fahrer ebenfalls herab). Je größer die Steigung,
desto größer ist somit auch der Steigungswiderstand
F
St
, der formelmäßig so defi-
niert ist:
D
sin
G
St
F
F
[N]
mit
F
G
= Gewichtskraft [N]
.
= Steigungswinkel des Berges
Man kann den Steigungswinkel auch in Prozent angeben. Eine Steigung von bei-
spielsweise 14% entspricht einer Höhendifferenz von 14m über einer Länge von
100m (siehe auch Bild 2-9).
2.2.1.3 Luftwiderstand
F
L
Der Luftwiderstand ist der Widerstand, den die Luft bewegten Körpern entgegen-
setzt. Er entsteht durch den sog. Staudruck (die Luftsäule, die der Körper horizontal
vor sich her schiebt) sowie durch die Reibung zwischen Fahrzeugoberfläche und der
sie umströmenden Luft. Mit zunehmender Geschwindigkeit nimmt der Luftwiderstand
quadratisch zu und übersteigt ab einer Geschwindigkeit von ca. 20 km/h alle anderen
Fahrwiderstände (Bild 2-8). Durch aerodynamische Verbesserungen kann der Luftwi-
derstand erheblich eingeschränkt werden. (siehe hierzu
Kap. 3 Aerodynamik
)
Der Luftwiderstand
F
L
errechnet sich aus der Formel:
2
2
v
Q
A
c
F
w
Luft
mit
c
w
= Luftwiderstandsbeiwert
[1]
A
=
Stirnfläche des Körpers[m²]
Q
= Luftdichte [kg/m³]
v
=
Geschwindigkeit [m/s]
Der cw Wert ist die Größe, die die ,,Windschnittigkeit" eines Fahrzeuges beschreibt.
Beim Rennrad (incl. Fahrer) liegt dieser Wert etwa bei 0,78-0,88.
Die Luftdichte ist bei Normalbedingungen (20°C, Meereshöhe, 60% Luftfeuchtigkeit)
etwa 1,199 kg/m³.
Als Stirnfläche bezeichnet man die größte Querschnittsfläche eines durch die Luft
bewegten Körpers. Mit zunehmendem A wächst somit auch der Luftwiderstand an.
Durch eine geeignete Sitzposition kann dieser Wert allerdings reduziert, sogar hal-
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biert werden! (Siehe zu allen Aerodynamischen Details auch
Kapitel
3. Aerodynamik
)
2.2.2 Fahrradwiderstände
2.2.2.1 Mechanische Verluste
Mechanische Verluste, oder auch als Reibungswiderstand der drehenden Teile be-
zeichnet, sind die Reibungsverluste in Antrieb (Pedale, Tretlager, Kette, Ritzel,etc.)
und Nabenlagern. Die mechanischen Verluste beim Rennrad sind gering und machen
weniger als 3% der Fahrerleistung aus. Der Verlustprozentsatz ist bei niedrigeren
Geschwindigkeiten etwas höher und bei höheren Geschwindigkeiten etwas niedriger.
2.2.2.2 Rollwiderstände
Rollwiderstände setzten sich zusammen aus dem Walkwiderstand und dem Abrollwi-
derstand im Verhältnis von etwa 1:5.
Walkwiderstand
Beim Rollen von Reifen auf der Fahrbahn platten sich diese ab. An den Seiten bildet
sich ein Wulst, der sich je nach Fahrbahnbeschaffenheit und Kontakt zur Fahrbahn
ständig auf- und abbaut. Das stellt eine ständige ,,Walkarbeit" dar, die mit Reibungs-
verlusten verbunden ist. Der größte Einflussfaktor ist der Luftdruck der Reifen. Er-
höht man diesen, nimmt die Walkarbeit ab.
Abrollwiderstand
Nicht nur seitlich, sondern auch vor dem Reifen bildet sich ein Wulst, der den Auf-
standspunkt des Reifens ein wenig nach vorne verlagert. Das Rad rollt damit immer
über seinen Wulst ab. Dieser stellt damit eine kleine Kippkante dar. Für das Rennrad
errechnet sich die dazu nötige Kraft
F
r
nach der Formel:
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r
s
F
F
a
g
r
4
mit
F
g
= Gewichtskraft, gesamt [N]
s
a
= Vorverschiebung des Abrollpunktes [mm]
r
= Laufradradius
Der Faktor
s
a
/4r wird als Rollwiderstandsbeiwert bezeichnet und ist beim Rennrad
(Rennreifen und 9 bar Luftdruck) etwa 0,002.
2.2.2.3 Schwingungswiderstand
F
Schw
Der Schwingungswiderstand ist nur sehr schwer zu erfassen und zu errechnen. Das
komplexe Gebilde ,,Rennrad" hat sehr viele Einflussfaktoren um Schwingungen anzu-
regen, allerdings auch zu dämpfen. Schwingungen werden dadurch ausgelöst, dass
der Rennradfahrer mit wechselnder Kraft in die Pedalen tritt; dass die Laufräder eine
Unwucht haben; dass Spiel in Lagerstellen herrscht oder einfach durch Bodenune-
benheiten. Gedämpft wird das System durch Reifen, Schläuche, Speichen, Rahmen,
etc.
Eine große Dämpfung schont zwar Mensch und Maschine, verhindert ein Aufschau-
keln (Flattern) und sorgt für guten Bodenkontakt. Ein Verlust der Antriebsleistung ist
allerdings die Konsequenz.
Auf eine Berechnung soll an dieser Stelle verzichtet werden.
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2.3 Arbeit, Energie, Drehmoment und Leistung
Physikalisch ist die Arbeit
W
als ,,Kraft mal Weg" definiert. Errechnet nach der For-
mel:
s
F
W
mit
F
= einwirkende Kraft in [N]
s
= Wegstrecke [m]
Als Einheit ergibt sich daraus
Nm oder auch J (Joule).
Energie ist ein physikalischer Begriff um die Fähigkeit von Körper Arbeit zu leisten,
auszudrücken. Sie hat die gleiche Einheit wie die Arbeit (
Nm), kann aber auch in
kcal (Kilokalorien) angegeben. Diese Einheit wird später in
Kapitel 5. Mus-
keln/Biomechanik
verwendet, da die als Nahrung aufzunehmende Energie auch in
kcal angegeben werden.
Im Bereich der Fahrzeugtechnik sind vor allem die potenzielle und die kinetische E-
nergie interessant. Potenzielle Energie ist die Energie der Lage: Die bereits verrichtet
Arbeit beim Bergauffahren eines Hügels ermöglicht es dem Fahrer/Rad bei er Abfahrt
Arbeit zu leisten. Formel für die potentielle Energie
W
p
ist:
h
g
m
W
p
mit
m= Masse Fahrer/Rad [kg]
g=
Erdbeschleunigung
[m/s²]
h= Höhe des Berges
Die kinetische Energie wiederum ist die Energie der Bewegung. Wird ein System
(Rad/Fahrer) beschleunigt, wird dabei Beschleunigungsarbeit verrichtet. Diese steckt
nun als kinetische Energie im System und ist seinerseits in der Lage nun Arbeit zu
verrichten. Die kinetische Energie
W
k
kann durch folgende Beziehung ausgedrückt
werden:
²
2
1
v
m
W
k
mit
m
= Masse Fahrer/Rad [kg]
v
= Geschwindigkeit [m/s]
Nach dem Energieerhaltungssatz kann z.B. bei Bergabfahrt potenzielle in kinetische
Energie umgewandelt werden. Das System Rad/Fahrer befindet sich später auf ei-
nem niedrigeren Höhenniveau, hat allerdings eine größere Geschwindigkeit. Oder:
kinetische Energie wird beim Bremsen in Wärmeenergie umgewandelt.
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Das Drehmoment wird ebenfalls in
Nm angegeben. Die Kraft die von den Muskeln
des Fahrers auf die Pedale aufgebracht wird ist nämlich über die Länge der Kurbel
(als Hebelarm) ebenfalls in der Lage, Arbeit zu verrichten.
So entsteht der direkte Zusammenhang zwischen Muskelkraft des Radlers zu den
Widerständen des Rades und der zu überwindenden Arbeit.
Leistung ist die physikalische Einheit für verrichtete Arbeit über eine Zeiteinheit. Die
Einheit der Leistung
P
ist Watt (W). Früher wurde im Automobilbereich die Leistung
auch als PS angegeben, wobei 1 PS 736 W entspricht. Die Formel für die Leistung
lautet:
t
s
F
P
mit
F
= Kraft [N]
s
= Wegstrecke [m]
t
= Zeit [m]
Die ausgerechneten Widerstände aus Kapitel ,,
2.2 Widerstände"
können so nun
problemlos in Arbeit, Energie oder Leistung umgerechnet werden.
2.4 Bremsen/Bremsverhalten
2.4.1 Allgemeines
Ganz allgemein wird die Bremse benötigt um die Geschwindigkeit des Rennrades zu
verzögern. Dies geschieht durch Gleitreibung. Zwei Bremsbacken pro Bremse werden
über eine Hebelwirkung mechanisch auf die Felge gedrückt. Physikalisch gesehen
verwandelt sich die kinetische Energie in Reibungswärme.
Laut STVZO Paragr. 65 müssen alle Fahrräder, und damit auch Rennräder im Stra-
ßenverkehr, ,,... zwei voneinander unabhängige Bremsen haben." Im Rennradbereich
werden Felgenbremsen (siehe Kapitel 4.5) verwendet. Das hat mehrere Gründen:
- sie ist sehr einfach und gleichzeitig sehr wirksam
- sie kann als eine Art Scheibenbremse gesehen werden, wobei die Felge als ,,Schei-
be" dient. Die Bremskraft wirkt so direkt auf das Laufrad selbst und muss nicht erst
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über die Speichen (wie bei Nabenbremsen) umgeleitet werden. Die Speichen werden
dadurch weniger belastet und können kleiner (leichter) ausgelegt werden.
Negativ hingegen wirkt sich diese Bremsung bei Nässe aus, denn dann wird der Rei-
bungskoeffizient zwischen den Bremsgummis und der Felge erheblich herabgesetzt.
2.4.2 Bremsvorgang
Während des Bremsvorganges bestehen eine Menge physikalischer und damit bere-
chenbarer Gesetzmäßigkeiten:
Bremsbeschleunigung
Maximale Bremskraft
Änderung der Lastverteilung auf die Laufräder
Abheben des Hinterrades
Blockieren der Laufräder
Umwandlung kinetischer Energie in Wärme
2.4.2.1 Bremsbeschleunigung
In der Regel als Verzögerung bekannt, wird als Beurteilungskriterium der Rennrad-
bremse herangezogen. Berechenbar durch:
t
v
a
b
'
'
mit
a
b
= Bremsbeschleunigung (Verzögerung) [m/s
2
]
¨v
= Geschwindigkeitsänderung
¨t
= Zeitraum des Bremsens
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