Warum ist die Steifigkeit eines Fahrradrahmens entscheidend?
Hersteller neuer Fahrradmodelle können Fortschritte in den Bereichen Steifigkeit, Gewicht, Komfort oder Aerodynamik hervorheben. Unter diesen Kriterien wird die Steifigkeit normalerweise am meisten betont, da sie eine grundlegende Komponente ist, die es einem Fahrrad ermöglicht, bei der mechanischen Kraftübertragung so effizient wie möglich zu sein. Hinter dem allgemeinen Begriff der Steifigkeit verbergen sich jedoch viele Nuancen.
Häufig wird in den verschiedenen Verkaufsargumenten, mit denen Hersteller ihre Produkte hervorheben, die „erhöhte Steifigkeit“ erwähnt. Viele Leute diskutieren darüber, aber nur wenige kennen diesen Parameter wirklich. Wie beim Gewicht eines Fahrrads übertreiben viele Leute jedoch die Auswirkungen einer höheren Steifigkeit. Nicht immer ist stärker aufgrund der Steifigkeit besser.
Steifheit ist was?
Die Klärung der Steifigkeit hilft uns dabei, die Bedeutung dieser Eigenschaft zu analysieren. In der Technik ist Steifigkeit die Fähigkeit eines Bauteils – im Beispiel eines Fahrrads der Rahmen –, Verformungen durch äußere Kräfte standzuhalten, gemäß der allgemein gebräuchlichen Definition.
Aus diesem Grund stellen sich die meisten Menschen bei der Diskussion über Steifigkeit sofort die auf die Pedale ausgeübte Kraft und den Grad der seitlichen Verformung des Rahmens bei jedem Pedaltritt vor.
Dies ist jedoch nur eine der Kräfte, die auf den Rahmen einwirken. Oftmals werden andere Kräfte übersehen, darunter die Zentrifugalkraft bei Kurvenfahrten, die Reaktion des Rahmens auf Fahrbahnunebenheiten und die Auswirkungen anderer Fahrbahnunebenheiten.
Ingenieure müssen bei der Konstruktion von Fahrrädern all diese Elemente berücksichtigen, um nicht nur einen Rahmen mit der entsprechenden Stoßdämpfungskapazität, sondern auch mit ausreichender Steifigkeit zu schaffen und gleichzeitig das Gesamtgewicht des Fahrrads so leicht wie möglich zu halten.
Wenn wir über die Rahmensteifigkeit sprechen, müssen wir sie daher in mehreren Facetten des Rahmens berücksichtigen. Wenn wir diesen Wert in mehreren Bereichen des Bildes genau untersuchen, werden wir erkennen, wie faszinierend er ist.
Anders gesagt, es ist nicht schwer, die bestmögliche Steifigkeit zu erreichen. Man muss lediglich zusätzliches Material hinzufügen, insbesondere wenn die Zugfestigkeit des Grundmaterials hoch ist, wodurch eine stabilere Konstruktion entsteht. Neben dem Inhalt ist auch der Rohrquerschnitt sehr wichtig. Je größer der Querschnitt, desto größer die Steifigkeit. Der Kompromiss ist jedoch eine gewisse Gewichtszunahme.
Darüber hinaus ist die Konfiguration der Kohlefaser von entscheidender Bedeutung. Die heute gängige Methode beruht auf der Änderung der Anordnung der unidirektionalen Fasern. Unidirektionale Fasern weisen eine hohe Steifigkeit in Faserrichtung auf, sind jedoch senkrecht dazu sehr gering. Dadurch können Ingenieure je nach Lage der einzelnen Faserschichten mehrere Rahmenteile herstellen, um sie bestimmten Zwecken anzupassen.
Eine perfekte Übereinstimmung erfordert recht anspruchsvolle Berechnungen. Glücklicherweise verlassen sich Ingenieure des 21. Jahrhunderts bei der Erledigung dieser Aufgaben meist auf Software zur Finite-Elemente-Analyse (FEA) auf Hochleistungscomputern. Mit diesem Programm können Ingenieure Hunderte virtueller Rahmen erstellen und ihre Reaktionen auf unterschiedliche angewandte Belastungen nachbilden.
Ziel des Rahmendesigns ist es, ein Gleichgewicht zu erreichen und nur bei Bedarf Steifigkeit hinzuzufügen. Um dies zu erreichen, definieren wir verschiedene Steifigkeitsvarianten im Fahrradrahmen.
Steifes Pedaltreten – seitliche Steifheit
Erstens ist die seitliche Steifigkeit eines der am häufigsten verwendeten Maße. Die Hersteller testen diese in ihren Labors, indem sie Gewichte auf das Tretlager legen, um die beim Pedaltreten ausgeübte Kraft zu simulieren. Diese Steifigkeit misst in erster Linie den Grad der Verformung im Tretlagerbereich bei jedem Pedaltritt. Interessanterweise ist eine höhere seitliche Steifigkeit immer wünschenswert, da durch die Verringerung der seitlichen Bewegung die von uns erzeugte Vektorkraft so effektiv wie möglich auf das Hinterrad übertragen werden kann.
Außerdem muss das hintere Dreieck starr genug sein, um Verformungen zu verhindern, wenn die Kette die Kraft nach hinten verlagert.
Als Fahrradtester ist dies der Wert, den wir messen möchten, um die Beschleunigungsfähigkeit eines Fahrrads zu messen. Besonders Bergfahrer und Sprinter, die ein Fahrrad brauchen, das bei einem Angriff oder einem Gruppensprint maximale Leistung liefert, sind auf diese Fähigkeit angewiesen. Die meisten Rahmen auf dem Markt haben jedoch eine sehr gute Pedaleffizienz bei Reisegeschwindigkeit, da die Leistungsabgabe gleichmäßiger ist und nicht viel von dem abweicht, was wir normalen Enthusiasten erreichen können.
Die Hersteller haben sich darauf konzentriert, größere Tretlager und 30-mm-Kurbelgarnituren zu verwenden, um eine hohe Seitensteifigkeit im Tretlagerbereich zu erreichen. Obwohl es nicht übertrieben wird, um die Kompatibilität mit dem Hinterrad nicht zu beeinträchtigen, ist das hintere Dreieck normalerweise auch ziemlich stark, insbesondere an den Seiten. Sowohl das hintere Dreieck als auch das Tretlager sind asymmetrisch gestaltet, um die Reaktionen auf die verschiedenen Belastungen auf der Antriebs- und Nicht-Antriebsseite auszugleichen. Um diesen Einfluss so weit wie möglich zu maximieren, werden außerdem verschiedene Carbonfaser-Lagen eingesetzt.
Präzises Handling – Torsionssteifigkeit
Die Torsionssteifigkeit ist ein kritischerer, aber selten erwähnter Faktor. Sie gibt den Grad der Rahmenverwindung unter verschiedenen Belastungen an. Insbesondere bei Kurvenfahrten kann diese Verwindung einen großen Einfluss auf die Spur des Vorder- und Hinterrads haben und somit das Fahrverhalten des Fahrrads beeinflussen.
Das Fahrrad erzeugt Zentrifugalkraft, die uns bei Kurvenfahrten mit hoher Geschwindigkeit normalerweise von der Linie nach außen drückt, indem sie die Zentripetalkraft auf die Innenseite der Kurve ausübt. Die strukturellen Unterschiede zwischen der Vordergabel und dem hinteren Dreieck führen dazu, dass die auf die Vorder- und Hinterräder wirkenden Kräfte nicht ganz ausgerichtet sind, was zu einer geringfügigen Fehlausrichtung der Räder entlang der Strecke führt.
Wir würden dies für Fahrer als unpräzises Handling bezeichnen. Es ist ähnlich wie der Versuch, mit einer Bürste eine Linie über eine Kurve zu ziehen; das Feedback des Fahrrads ist nicht so scharf, wie man es sich wünschen würde. Umgekehrt lässt sich ein Fahrrad, das in diesem Kriterium gut abschneidet, nicht nur leicht durch Kurven fahren, sondern mit einer einfachen Bewegung kann das Fahrrad auch zum Scheitelpunkt der Kurve geführt werden. Das Fahrrad kehrt nach dem Passieren des Scheitelpunkts mit ziemlich sanfter, progressiver Bewegung allmählich auf eine gerade Linie zurück. Darüber hinaus erfolgt die Reaktion auf abrupte Richtungsänderungen in der Kurve schneller. Das gesamte Kurvengefühl wird leicht und direkt, frei von der Langsamkeit, die bei Fahrrädern mit schwacher Steifigkeit auftritt.
Normalerweise verwenden Hersteller Steuerrohre mit größerem Durchmesser und verstärken die Gabel, um ein Verdrehen des Rahmens zu verhindern. Tatsächlich hat sich die Größe der Steuersatzlager im Laufe der Zeit von den herkömmlichen 1-Zoll-Lagern zu den heute üblichen 1.5-Zoll-Lagern im unteren Steuersatz geändert. Da es die Hauptstütze für die Rahmenkonstruktion darstellt, hat das Unterrohr des Fahrrads normalerweise auch den breitesten Querschnitt.
Dennoch sollte man auch ein weiteres Element berücksichtigen. Torsionssteifigkeit und Seitensteifigkeit müssen ausgewogen sein, um zu gewährleisten, dass der Rahmen optimal und ohne Kompromisse läuft. Andererseits kann eine zu starke Seitensteifigkeit an Vorder- und Hinterachse das Fahren des Fahrrads bei nicht optimalen Straßenbedingungen erschweren, da sie bei jedem Aufprall auf den Boden einen Rückstoß erzeugt. Daher sollte man sich viel mehr Gedanken machen als nur über diese Elemente.
Sanfte Fahrt – vertikale Steifigkeit
Während bei den vorherigen Punkten das Ziel darin besteht, eine möglichst hohe Steifigkeit zu erreichen, ist der Ansatz in der vertikalen Ebene genau umgekehrt: Es muss eine gewisse Steifigkeit vorhanden sein, um einen Hüpfeffekt zu vermeiden, gleichzeitig muss jedoch genügend Verformungskapazität vorhanden sein, um die Unebenheiten der Straße auszugleichen.
Dies ist ein besonders schwierig anzupassender Wert, da er vom Gewicht des Fahrers bestimmt wird und das Design des Fahrrads ein breites Spektrum an Fahrertypen berücksichtigen muss. Natürlich hilft uns die Big-Data-Analyse von Fahrern, den typischen Körpertyp von Fahrern mit einer bestimmten Größe vorherzusagen, sodass die Ingenieure diesen Wert genauer anpassen können.
Generell wird die vertikale Steifigkeit stark vom Querschnitt der Rahmenrohre und der Konfiguration der Carbonfaser-Lagen beeinflusst, ebenso wie die seitliche Steifigkeit. Ziel ist es, die vertikale Steifigkeit so zu optimieren, dass ohne Einbußen bei der seitlichen Steifigkeit ein perfektes Gleichgewicht zwischen Stoßdämpfung und Kraftübertragungseffizienz erreicht wird.
Aerodynamische Rohrformen verbessern den vertikalen Querschnitt des Rohrs und beeinflussen dadurch die vertikale Steifigkeit und damit die Aerodynamik. Andererseits beeinflusst der kleinere horizontale Querschnitt die seitliche Steifigkeit und erzeugt somit einen gegenteiligen Effekt zu dem, was der Rahmen anstrebt.
Normalerweise besteht die Lösung dieses Problems darin, den horizontalen Querschnitt des Rohrs zu vergrößern und virtuelle Heckflügelrohrformen zu verwenden. Dies wirkt sich jedoch sowohl auf die aerodynamische Leistung als auch auf das Gewicht aus.
Was ist, wenn das Fahrrad zu steif oder zu weich ist?
Wie wir bereits gesagt haben, ist es recht einfach, ein Fahrrad mit modernen Materialien recht stabil zu konstruieren, wenn absolute Stabilität das wichtigste Kriterium ist. Aber nur sehr wenige von uns können ein solches Fahrrad länger als eine Stunde fahren – nicht nur, weil die überempfindlichen Fahrkräfte uns zwingen, ständig angespannt zu bleiben, sondern auch, weil die wechselnden Straßenoberflächen unsere Arme und unseren Rücken schnell erschüttern.
Tatsächlich hatten wir früher einmal solche Motorräder. Obwohl sie sich beim ersten Pedaltritt – vor allem beim Beschleunigen – vielleicht großartig anfühlten, merkte man bald, dass diese Motorräder in der realen Welt nutzlos waren. Mit der Zeit verursachten sie mehr Schaden als Nutzen, und bei jeder bergab führenden Kurve gaben sie uns trotz unseres großen Selbstvertrauens in Kurven nur minimales gutes Feedback. Viele von uns erinnern sich zweifellos an die Vollaluminium-Rennmotorräder, die die frühen 2000er Jahre dominierten – echtes „zwei Räder und ein Hebel, sonst nichts, einfach losfahren“.
Das andere Extrem sind die sogenannten „Baumwollfahrräder“. Bei diesen Fahrrädern ist mehr als die Hälfte der Arbeit umsonst, da man ständig viel Kraft aufbringen muss, nur um die Reisegeschwindigkeit zu halten. Ganz zu schweigen davon, dass die Reaktion beim Beschleunigen so langsam ist wie die eines älteren Menschen.
Diese Motorräder können Träume über Kurvenlinien auslösen. Fahrer von Mittelklasse-Rennrädern mit Stahlrahmen wissen zweifellos genau, was ich meine. Obwohl wir diese Motorräder als „elegant gestaltet mit einem luxuriösen Gefühl“ bezeichnen, wissen diejenigen, die die tatsächliche Geschichte kennen, etwas anderes.
Basierend auf dem vorangegangenen Gespräch können wir allgemein sagen, dass in den meisten Fällen mehr Steifigkeit eindeutig wünschenswert ist. Dennoch sind gründliche Tests auf allen Seiten des Rahmens absolut notwendig, um schließlich ein perfektes Gleichgewicht für alle Kriterien zu erreichen. Grundsätzlich hat sich die allgemeine Steifigkeit von Rahmen im Laufe der Jahre offensichtlich geändert. Während Sie bei einem Modell von vor vielleicht zehn Jahren möglicherweise viel mehr Arbeit investieren müssen, müssen Sie bei den neuesten Versionen möglicherweise nur wenige Pedaltritte ausführen. Diese Analogie hilft Ihnen, die Entwicklung des Rahmendesignwissens, die Vielfalt der Designtools und den großen Einfluss der Materialentwicklung auf die Fahrradleistung auf natürliche Weise zu bewerten.