Fahrwiderstände by Clemens Berger

GEISSLER

FAHRWIDERSTÄNDE

TOUR 5 | 2008

Wer bremst da? Was hindert stärker an schneller Fahrt: Lager oder Reifen, steile Berge oder der Luftwiderstand? Und was kann man tun, um mit wenig Aufwand tatsächlich schneller zu werden? Hier gibt’s den Durchblick

5 | 2008 TOUR

FAHRWIDERSTÄNDE

ǺǫǾǺ Robert Kühnen

ie Feinde sind unsichtbar, aber sie attackieren die Leistungsreserven jedes Radlers: Die Reifen walken, die Lager reiben, die Luft wirbelt. An vielen Stellen am Rad zieht uns Reibung die Energie aus den Beinen und hindert uns, einfach immer schneller zu werden. Sie kennen das: Obwohl Ihr Rennrad eine ungemein leichtgängige Maschine ist, gibt es für jeden Fahrer einen Punkt, ab dem nichts mehr geht. Man schaut nach der Bremse, aber da schleift nichts. Die Fahrphysik und unsere begrenzte

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Muskelkraft weisen uns in unsere Schranken. Wenn Antriebskraft und Fahrwiderstand im Gleichgewicht sind, stagniert das Tempo. Wie groß aber sind die einzelnen Widerstände, die uns davon abhalten, noch schneller über den Asphalt zu gleiten? Und lassen sich diese Widerstände nicht doch verkleinern? Wir haben mal gerechnet: Basis der folgenden Beispiele ist ein Radfahrer, der in Oberlenkerhaltung mit 200 Watt in die Pedale tritt, zusammen mit seinem Rad 85 Kilogramm wiegt und so Weise ein Tempo von 30 km/h fährt.

Was macht schnell? Kopf runter, Rücken flach, gute Reifen aufziehen und ausreichend aufpumpen, Kette ölen und Gänge mit kleinen Ritzeln vermeiden. Fertig. Mehr Tempo ist keine Frage teurer Komponenten sondern in erster Linie das Ergebnis einer besseren Sitzposition. Deutlich überschätzt wird meist der Einfluss des Gewichts sowie die Auswirkung teurer Komponenten.

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DE NEVE

Zwei Tricks für mehr Tempo, von den Triathlon-Assen Normann Stadler und Faris AlSultan erprobt: Das getunte Campagnolo-Schaltwerk hat eine größere und kugelgelagerte Rolle (15 Zähne) anstelle des gleitgelagerten Originals mit nur zehn Zähnen. Das bringt rechnerisch etwa 0,8 Watt Einsparung bei Tempo 30 – mehr als alle anderen Lager zusammen. Geschwindigkeitszuwachs bei gleicher Leistung: 0,04 km/h

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er seidenweiche Lauf von Kugellagern gilt Rennradfahrern als Qualitätskriterium für ein hochwertiges Rennrad. Naben, Tretlager, Pedale, Schaltung: 14 Lager drehen sich in einem durchschnittlichen Rennrad – nicht mitgezählt das Lenkungslager, das für die Fahrwiderstände bedeutungslos ist. Da sich Kugellager einerseits extrem leicht drehen, andererseits am Rennrad einfache Arbeitsbedingungen vorfinden – die auftretenden Kräfte sind eher gering, die Drehzahlen niedrig –, lassen sich die daraus resultierenden Reibkräfte experimentell nur sehr schwer bestimmen. Wir haben deshalb alle Lagerstellen idealisiert gerechnet – kein Verschleiß, keine Verschmutzung –, um eine Vorstellung von der Größenordnung der Lagerverluste zu bekommen. Das überraschende Ergebnis: Die Summe aller Verluste in den Lagern ist derart gering, dass sie so gut wie nicht ins Gewicht fallen. Am meisten bremsen noch die Naben mit rund 0,16 Watt, gefolgt von Tretlager (0,03 Watt), Pedalen (0,01 Watt) und Schaltwerk (0,006 Watt) – ein Nichts! Nicht berücksichtigt sind bei dieser idealisierten Rechnung allerdings die Reibkräfte der schleifenden Dichtungen. Aber auch mit diesen Dichtungen

dürften die Lagerwiderstände noch unter 0,5 Prozent des Gesamtwiderstands bleiben. Konventionelle Kugellager also durch teure keramische Hybridlager zu ersetzen, die noch einen Tick leichter laufen, verspricht keinerlei Vorteile. Keramische Lager sind von der Idee her vor allem für sehr hohe Drehzahlen gedacht, oder für Lager, die beispielsweise vollständig in aggressiven Flüssigkeiten laufen, die Metallkugeln zerstören würden. Nüchterne Erkenntnis unserer Berechnungen: Für den Gesamtwiderstand beim Rennrad spielt die Lagerqualität eine sehr untergeordnete Rolle. Die einzige Nachrüstmaßnahme, die wirklich leichte Vorteile verspricht, ist der Austausch des gleitgelagerten (!) unteren Schaltröllchens bei CampagnoloSchaltwerken gegen ein kugelgelagertes Pendant, so wie es alle anderen Hersteller verwenden. Die kleine Rolle, mit der die Kette gespannt wird, verschlingt aufgrund des verwendeten Reiblagers und der relativ hohen Drehzahl rechnerisch mehr Leistung als alle anderen Lager zusammen: etwa 0,8 Watt. Zudem wird die Kette auf den kleinen Rollen mir nur zehn Zähnen sehr stark abgewinkelt, was zusätzliche Reibung erzeugt.

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sehr frustrierend für Erfinder, die nach Verbesserung trachten. Unter normalen äußeren Bedingungen liegt der realistische Wirkungsgrad aber eher bei 97 Prozent und kann durch starken Verschleiß und Schräglauf auch auf Werte von 95 Prozent und weniger fallen. Dazu existieren aber nur wenige publizierte Messwerte. Eine 2001 im „Journal of Mechanical Design" (Vol. 123) veröffentlichte Studie berichtet von

KRAUS

SIMON

ie Fahrradkette lässt seit Generationen Tüftler verzweifeln. Grund ist ihr überragender Wirkungsgrad unter idealen Bedingungen von maximal 99 Prozent – das heißt: Nur ein Prozent der investierten Leistung geht über Reibung verloren. Das ist mit anderen Übertragungsformen – etwa Kardanantrieb oder Zahnriemen – kaum zu toppen und daher

Die Rennradkette arbeitet mit Wirkungsgraden bis 99 Prozent sehr effizient. Optimal sind Übersetzungen, bei denen möglichst viele Zähne im Eingriff sind. Die Unterscheide liegen im Prozentbereich! Ein um zwei Prozent besserer Wirkungsgrad durch einen besseren, zahnreicheren Gang bringt bei Tempo 30 plus 0,22 km/h

den Mechanismen, die zum Leistungsverlust an der Kette führen können. Danach ist der Kettenwirkungsgrad in erster Linie von der Ritzelgröße und der Kettenspannung abhängig. Während der experimentell ermittelte Wirkungsgrad bei 200 Watt Antriebsleistung (ohne Kettenschräglauf) und einer Übersetzung von 52/21 bei 98,6 Prozent liegt, fällt er bei 52/11 auf 95,8 Prozent. Überraschend ist, dass der Wirkungsgrad mit zunehmender Kettenspannung besser wird, was der klassischen Theorie über Reibung eigentlich widerspricht. Bei hoher Leistung ist der Wirkungsgrad

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Der Gummi macht’s: Der Rollwiderstand hängt maßgeblich von der Gummimischung des Reifens ab. Mit einer optimalen Mischung fährt man bei gleicher Kraft 31 statt 30 km/h

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daher höher als bei geringer Leistung, bei niedrigen Trittfrequenzen besser als bei hohen Frequenzen. Tipp: Bevorzugen Sie Übersetzungen mit vielen Zähnen – also 53/19 statt der identischen 39/14. Vermeiden Sie ebenso extremen Kettenschräglauf. Kassetten mit großer Spreizung (wie beim MTB) sind sinnvoller als eng gestufte Rennradgetriebe wie 11–23, weil sie mehr Möglichkeiten bieten, große Ritzel mit dem großen Blatt zu kombinieren. Ritzel mit weniger als 15 Zähnen sollte man unter dem Aspekt des Wirkungsgrades vermeiden. Kette gut schmieren, um vorzeitigem Verschleiß vorzubeugen!

neus gehören zu den eher unterschätzten Bauteilen am Rad. Das liegt vermutlich daran, dass man die damit verbundene Reibung – im Gegensatz zu den Lagern – nicht durch Anfassen und Drehen ergründen kann. Zwischen den schlechtesten und den besten Reifen liegen aber Welten im Rollwiderstand, wie TOUR bei Prüfstandstests schon mehrfach feststellen konnte. Hinzu kommen ebenfalls deutliche Unterschiede in der Haftung und der Pannensicherheit. Unter allen Investitionen ins Material ist die in einen leichter rollenden Reifen daher die effektivste und preiswerteste. Der Rollwiderstand des Reifens wird durch eine ganze Reihe von Effekten bestimmt. Am dominantesten ist dabei die Gummimischung, die für die Lauffläche verwendet wird. Das Reifenprofil hingegen spielt so gut wie keine Rolle. Zweiter wesentlicher Teil des Rollwiderstands: die Walkarbeit. Da der Reifen dort abflacht, wo er auf der Straße rollt, werden Lauffläche und Karkasse ständig verformt – und das kostet Energie. Der Unterschied zwischen sehr gut und schlecht rollenden Rennradreifen betrug im letzten TOUR-Test (9/2007) 17 Watt bei 30 km/h. Das bedeutet umgerechnet, dass man mit den besseren Reifen in einer Stunde einen Kilometer weiter fährt – bei gleichem Krafteinsatz! Für optimalen Leichtlauf ist ein Mindestdruck im Reifen erforderlich. Aber auch zu hoher Druck schadet, weil Reifen sich dem Untergrund dann nicht mehr elastisch genug anschmiegen, wodurch sich der Fahrwiderstand wieder erhöht. Brauchbarer Kompromiss: 7,5 bar für Reifen in 23 Millimeter Breite.

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ǲǻǬǺǽǯǪǫǸǹǺǧǴǪ nter all den unsichtbaren Fahrwiderständen ist der Luftwiderstand der mit Abstand größte, wichtigste – und gemeinste. Das liegt daran, dass die scheinbar so durchlässige Luft mit wachsendem Tempo zur zunehmend undurchdringlichen Wand wird. Der Luftwiderstand ist sehr stark geschwindigkeitsabhängig und dominiert den Gesamtwiderstand bei typischen Rennradgeschwindigkeiten: Um doppelt so schnell zu fahren, muss man die achtfache Leistung aufbringen, um den Luftwiderstand zu überwinden! Den Löwenanteil verursacht der Fahrer dabei selbst, aber auch die Laufräder gehen spürbar in den Luftwiderstand ein. Die Form des Rahmens hat hingegen geringeren Einfluss. Um schnell zu fahren, muss man vor allem eine optimale Position auf dem Rad einnehmen: Kopf runter, Rücken flach, Oberkörper gestreckt. Der Luftwiderstand sinkt noch einmal deutlich, wenn man die Arme vor den Körper nimmt

und auf einem Zeitfahrlenker abstützt. Auch die Kleidung spielt eine wichtige Rolle und sollte flatterfrei am Körper anliegen. Accessoires wie Helme geben den Feinschliff. Für den Rennradalltag, besonders aber für Rennen, ist eine aerodynamisch optimale Sitzpositionen daher entscheidend: Bis zu

6,5 km/h kann ein Rennradler schneller fahren, der sich bei 30 km/h von der aufrechten Oberlenkerposition in eine aerodynamisch optimale Position begibt. Mit Zeitfahrlenker und optimalem Outfit könnte er seine Geschwindigkeit bei unverändertem Krafteinsatz sogar auf rund 40 km/h steigern!

Die stärkste Bremse: der Luftwiderstand 800 700

Leistung [W]

600 500 400 300 200 100 0

Geschwindigkeit [km/h]

ǒ Der Luftwiderstand schnellt mit dem Tempo exponentiell in die Höhe und lässt die notwendige Leistung dramatisch ansteigen (rosa Linie). Alleine durch eine bessere Haltung auf dem Rad lässt sich die Geschwindigkeit um mehrere km/h steigern. Der Rollwiderstand (violette 55 Linie) spielt in diesem Kontext dagegen kaum eine Rolle

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em Gewicht messen die meisten Radler extreme Bedeutung zu, um jedes Gramm am Rad wird gefeilscht. Das ist übertrieben, denn in flacher Fahrt ist das Gewicht relativ unbedeutend. In diesem Fahrzustand hat die Masse von Rad und Fahrer lediglich Einfluss auf den Rollwiderstand und auf die sowieso minimale Lagerreibung. Ein Prozent weniger Gewicht senkt den Rollwiderstand um ein Prozent – das beschleunigt die Fahrt nur um 0,16 Prozent. Anders sieht’s an einem steilen Berg aus. Hier geht das Gewicht proportional in die Gesamtleistung ein und nicht nur in den Rollwiderstand. Zwei Kilogramm weniger Masse lassen unseren Musterradler an einer

zehnprozentigen Steigung von 7,9 auf 8,08 km/h zulegen (plus 2,2 Prozent). Interessant wird das Gewicht auch bei ständigen Tempowechseln, weil da Beschleunigungsarbeit zu leisten ist, in die das Gewicht proportional eingeht. Dennoch: In die Gesamt-Energiebilanz eines gemischten Streckenprofils von beispielsweise 1.000 Höhenmetern auf 100 Kilometer geht die Aerodynamik als dominanter Fahrwiderstand stärker ein als das Gewicht.

Ein leichtes Rad ist ein schnelles Rad? Das gilt nur am Berg ...

Die Einzelwiderstände im Vergleich 10 % Steigung, 7,9 km/h, 200 Watt Hauptfaktor: Masse (Kilogramm)

17,4 % Rollwiderstand

4,5 % Rollwiderstand

6,7 % Luftwiderstand Laufräder 72,9 % Luftwiderstand Fahrer + Rad

2,5 % Kettenreibung

2,5 % Kettenreibung 91% Hubarbeit

<0,5 % Lagerreibung

So wird’s schneller – in der Ebene

– und am Berg

Zwei Kilo Gewicht einsparen Aerodynamische Laufräder Optimale Reifen Kopf runter, Rücken flach

Optimale Reifen 2 kg Gewicht einsparen

TOUR 5 | 2008

0,05 km/h 0,34 km/h 1 km/h 4 km/h

1,5 % Luftwiderstand Rad & Fahrer

0,06 km/h 0,18 km/h

ǒ Der Einfluss des Gewichts wird von den meisten Rennradfahrern überschätzt. Es zählt nur beim Beschleunigen sowie an steilen Bergen. Zwei Kilogramm weniger bringen bei Tempo 30 im Flachen nur einen Gewinn von 0,05 km/h

SIMON

Flache Strecke, 30 km/h, 200 Watt Hauptfaktor: Luftwiderstand (cwA)