Studienarbeit

Das Rennrad

Physik ­ Aerodynamik ­ Technik ­ Fertigungsverfahren ­ Werkstoffe ­

Biomechanik

Name:

Thomas H. Mehlitz

Kurs:

TMB01BFT

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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 1

Mehlitz 2004

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I. Inhaltsverzeichnis

VORWORT

1

I. INHALTSVERZEICHNIS

2

II. ABKÜRZUNGS- UND FORMELZEICHENVERZEICHNIS 4

1. EINLEITUNG

5

1.1 GESCHICHTE DES FAHRRADES/RENNRADES 5

1.2 FAHRRADTYPEN

9

1.3 DIE TYPOLOGIE DES RENNRADES 11

1.4 BAUTEILE UND BAUGRUPPEN 12

2. PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN

14

2.1 WARUM KANN MAN ÜBERHAUPT FAHRRAD FAHREN? 14

2.2 WIDERSTÄNDE

17

2.2.1 FAHRWIDERSTÄNDE

FF

18

2.2.2 FAHRRADWIDERSTÄNDE 21

2.3 ARBEIT, ENERGIE, DREHMOMENT UND LEISTUNG 23

2.4 BREMSEN/BREMSVERHALTEN 24

2.4.1 ALLGEMEINES

24

2.4.2 BREMSVORGANG

25

2.4.3 WEITERE BREMSPHYSIK 26

2.4.4 BREMSFLATTERN

28

2.5 GETRIEBEÜBERSETZUNG 28

3. AERODYNAMIK

30

3.1 DER LUFTWIDERSTAND 30

3.1.1 STIRNFLÄCHE

A

31

3.1.2 C -

W WERT

34

3.2 SITZPOSITION

36

3.3 AERODYNAMISCHE OPTIMIERUNGEN 39

3.4 WINDSCHATTENFAHREN 45

Studienarbeit Rennradtechnik 2

Mehlitz 2004

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4. TECHNIK

47

4.1 DER RAHMEN

47

4.1.1 GEOMETRIE

48

4.1.2 FERTIGUNGSVERFAHREN 50

4.1.3 WERKSTOFFE

57

4.1.4 RAHMENBELASTUNGEN UND AUSLEGUNG 60

4.2 LAUFRÄDER

62

4.2.1 NABE

62

4.2.2 SPEICHEN

64

4.2.3 FELGE

68

4.2.4 REIFEN

72

4.2.5 SONDERBAUFORMEN 75

4.3 SATTEL/SATTELSTÜTZE 79

4.3.1 SATTEL

79

4.3.2 SATTELSTÜTZE

81

4.4 STEUEREINHEIT

83

4.4.1 GABEL

83

4.4.2 STEUERSATZ

85

4.4.3 VORBAU

87

4.4.4 LENKER

90

4.5 KOMPONENTEN

92

4.5.1 BREMSEN

92

4.5.2 SCHALTUNG

94

4.5.3 BREMS-/SCHALTHEBEL 96

4.5.4 ANTRIEBSSTRANG

97

4.6 ÜBERSETZUNG

104

4.7 PEDALE

110

5. BIOMECHANIK

113

5.1 BETEILIGTE MUSKELN

113

5.2 TRITTFREQUENZ

114

5.3 DER ,,RUNDE TRITT" 116

5.4 ENERGIEBILANZ

117

6. SCHLUSSBEMERKUNG

119

7. QUELLENVERZEICHNIS

120

Studienarbeit Rennradtechnik 3

Mehlitz 2004

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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 4

Mehlitz 2004

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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

Bild 1-1: Laufrad von Drais

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).

Bild 1-2: Laufrad von Drais wäh-
rend der Fahrt von

Mannheim nach Schwetzingen

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 5

Mehlitz 2004

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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

Bild 1-3a: Hochrad mit

Kurbelantrieb

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).

Bild 1-3b: Der Panther, Modell 60, 1903

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

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Mehlitz 2004

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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-

Bild 1-4: MIFA, 1925

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.

Bild 1-5: Diamant Aluminium-

Über die

rahmen, 1935

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-

Bild 1-6: Olmo, Modell Rondine, 1948

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.

Bild 1-7: Cinelli, Modell Super Corso, 1960

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).

Studienarbeit Rennradtechnik 7

Mehlitz 2004

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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

Bild 1-8: Speedwell, Model Mark IV, 1979

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

Bild 1-9: Cinelli, Modell Laser, 1981

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

Studienarbeit Rennradtechnik 8

Mehlitz 2004

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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

Bild 1-10: Klein, Modell Quantum pro, 1995

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

Bild 1-11: Stadtrad

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.

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Mehlitz 2004

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