RADPLAN DELTA
 
LEISTUNGSMESSUNGEN AN LAUFRÄDERN
 
Oft gestellte Fragen, beantwortet aus physikalischer Sicht
 
1)Können Scheibenräder segeln? Gibt es "Schub"?
 
Wenn der Wind von links kommt, muss das Segel angestellt werden, damit Schub entsteht.
Vorderräder müssen aber geradeaus fahren, der Fahrer kann das Scheibenvorderrad nicht mit z.B. 45 ° nach links anstellen, sonst macht er sich lang. Selbst ein 90° Seitenwind ist nicht neutral, er sorgt bedingt durch Schlupf für Abdrift. Das Rad fährt nicht von A nach B, sondern von A nach C. Die Reise von C "zurück", besser quer, nach B kostet neue Energie.
Seitenwind ist somit nie aufkommensneutral. Der Segeleffekt ist eine physikalische Lüge.
Jede seitliche Windkomponente bedeutet eine Mehrarbeit. Wenn die Angriffsfläche des Vorderrades grösser wird, wird auch die Abdrift und das damit verbundene "Zurückrudern" mehr.
 
2)Sind hohe Felgen aerodynamischer?
 
Im Prinzip minimal ja, aber der praktische Nutzen kommt von woanders: Die Felgenhöhe gibt mehr vertikale Starre, und das ermöglicht weniger Speichen, und das macht schneller.
Die Statiker wissen, dass die Festigkeit von einer höheren Potenz der Profilhöhe abhängt, und das wirkt praktisch äusserst progressiv. Da hohe Felgen bei Seitenwind Nachteile haben, macht man Felgen nur so hoch wie
nötig, nicht so hoch wie möglich.
 
3) Wie misst man Aerodynamik bzw. einen komplexeren Laufwiderstand?
 
Es gibt mehrere unzureichende Aufbauten. Ein einfacher Aufbau ist es, mit einem Elektromotor ein Rad auf konstanter Umdrehung zu halten, die Leistungsaufnahme mit dem Wirkungsgrad zu verrechnen und zu glauben,
das sei ein Ergebnis. Fehler: Das Rad wird nicht angeströmt, die neuen Luftpakete brauchen nicht immer neu von Speichen in Rotation gesetzt zu werden.
Ein weiterer Aufbau besteht darin, ein stehendes Rad in den Windkanal zu stellen. Bei dieser Methode werden keinerlei Rotationseigenschaften berücksichtigt.
Beeindruckend, aber ebenso unzureichend: Ein Laufrad wird im Windkanal angeblasen, auf einer konstanten Umdrehung gehalten und der Windwiderstand wird gemessen.
Man könnte meinen, dass mit der Formel: Leistung = Kraft x Geschwindigkeit, Kraft ist der Windwiderstand in Fahrtrichtung, Geschwindigkeit die des der Luftstromes, die Leistungsaufnahme des Rades korrekt ermittelt sei. Doch weit gefehlt: Die Leistung, das Rad auf der konstanten Umdrehung zu halten, muss addiert werden. Dabei ist genau darauf zu achten, dass die Geschwindigkeit der linearen Luftströmung exakt mit dem Betrag der Umfangsgeschwindigkeit des Reifens übereinstimmt. Ist dies nicht der Fall, testet man keine neutralen
Verhältnisse, sondern Gegen- oder Rückenwindverhalten; und das muss dann explizit dokumentiert sein. Ebenso wie die mechanische Leistung sich aus Translation und Rotation zusammensetzt, ist auch für den Windwiderstand / die
Aerodynamik die Summe aus beiden zu bilden. Dabei spielt die Leichtgängigkeit der Lager praktisch eine Rolle, da sie auch die Umdrehungsgeschwindigkeit des Rades vermindert. Der Fahrer muss aber nicht nur momentan eine Widerstandskraft bei einer definierten Geschwindigkeit erleiden, er muss auch das Tempo halten, das macht kein Elektromotor für ihn!
Ein seriöser Test sollte Werte bei mindestens zwei verschiedenen Geschwindigkeiten ermitteln, was z.B. mit 40kmh, Fahren im Pulk und 75 kmh, Rollen auf der Abfahrt, praktisch relevant ist.
 
4) Speichenanzahl, Speichenquerschnitt, Stirnfläche: was bringt das?
 
Weniger Speichen haben weniger Windwiderstand. Aber eine absolute Tragkraft muss realisiert werden. 16 dicke Rundspeichen können mehr tragen als 18 dünne Messerspeichen, sind aber ähnlich aerodynamisch. Ein 4 Spoke Rad hat rechnerisch eine weitaus grössere Stirnfläche als 18 Messerspeichen. Es liefert aber trotzdem gute Ergebnisse. Warum?
Die gängigen Formeln zum Luftwiderstand sind für laminare Strömungen gültig, in ihnen ist der Widerstand dem Quadrat der Geschwindigkeit proportional. In turbulenten Strömungen sind aber höhere Potenzen der Geschwindigkeit
vertreten. Die liest man nirgendwo, weil das kaum einer tatsächlich gut berechnen kann, es ist wirklich schwer. Dadurch haben aber 4 Spokes eine gute Chance, weil weniger Speichen mit einer pro Speiche optimierten,
differenzierten Formgebung insgesamt weniger Verwirbelungen ergeben und dadurch der praktische Anteil der höheren Widerstandspotenzen verringert wird. Diese optimierten Profile müssen natürlich streng richtungsgebunden
eingesetzt werden. Ein falsch herum montiertes Vorderrad ist so sinnvoll, wie mit einem Porsche und Heckspoiler auf der Autobahn mit 200 kmh rückwärts zu fahren.
 
5) Ist Aerodynamik alles?
 
Nein, sie ist viel. Ein Windkanaltest, in dem Laufräder ohne vertikale Belastung durch das Fahrergewicht durchgeführt wird, ist allerdings schlecht brauchbar. Wichtig ist, die vertikale Belastung zu berücksichtigen und zu normieren, z.B. auf 75 kg Fahrer plus 10 kg Rad plus Ausrüstung wie Schuhe und Bekleidung. Diese Gewichtskraft wird die Räder beim Abrollen mehr oder weniger deformieren, was den Rollwiderstand beeinflusst. Ein konstruktionsbedingt weiches 16 Speichen - Laufrad in einer belastungstechnisch ungünstigen Anordnung kann dabei erheblich schlechtere Werte einfahren als ein weitgehend starres 18 Speichen Laufrad mit optimaler Speichenanordnung oder ein Carbon - Monocoque. Diese Unterschiede merkt jeder einigermassen sensible Fahrer, und es ist Aufgabe der Ingenieure, den
Testaufbau mit einer vertikalen Last zu konzipieren. Grundsätzlich bleibt unter Belastung nichts rund, die Frage ist, was deformiert sich am wenigsten?
Ein 21 Speichen - Hinterrad mit mässig hoher Alufelge, das aus Design - Gründen weit über 20 cm lange Felgenabschnitte ohne Speichenabstützung hat, kann nicht mit der nötigen Spannung aufgezogen werden,
ohne dass 7 Höhenschläge die Folge wären. Diese Eigenschaft kommt erst dann zum Tragen, wenn eine definierte vertikale Belastung zum Prüfstandard gehört. Ähnliches gilt für 16 Speichen Hinterräder mit aussen an der Felge paarweise angreifenden Speichen. Diese Nachteile kann man nur mit angemessen steigender Felgenhöhe kompensieren. Der interessante Punkt des Rotations - Trägheitsdrehmomentes wird gerne falsch beurteilt oder gemessen. Hier geht es um die Energie- bzw. Leistungsaufnahme des rotierenden Systems Rad unabhängig von der linearen Translationsgeschwindigkeit. Zur rechnerischen Lösung dieses Problems dient ein mathematisches Integral, in dem jede Masse des Rades mit ihrem radialen Abstand vom zentralen Drehpunkt, der Achse, bewertet wird.
Dabei werden aussenliegende Massen höher gewichtet.
Grundsätzlich sollte man nun vermuten, dass schwerere Felgen dann nachteilig sind, doch diese Aussage ist recht theoretisch. Der absolute Einfluss des Rotations - Trägheitsmomentes ist gegenüber der Gesamt-Fahrzeugmasse so
gering, dass nur ein sehr geringer Nachteil entsteht. Andererseits bieten schwerere und damit normalerweise auch festere Felgen erhebliche Vorteile für die Deformationsarmut eines Rades, was an anderer Stelle den Energieverbrauch stärker günstig beeinflusst. Hier ist eine isolierte Aussage über das Rotations - Trägheitsmoment dann irreführend, wenn es nicht mit dem Rollwiderstand oder der Drehmomentübertragung parallel dargestellt wird. Der Fahrer hat nur eine Kraft, und die muss mit Augenmass und Optimierung günstig auf die verschiedenen Verluste verteilt werden.
Es hat Versuchsaufbauten gegeben, in denen Räder zur Messung des Rotations - Trägheitsmomentes sich zwar drehten, aber nicht um ihre Achse, sondern pendelten um aussenliegende Achsen. Dies ist physikalisch / messtechnisch ungünstig, da die konkrete Massenverteilung des Testrades durch die andere Lage der Drehachse nur ungenau bestimmt werden kann. Es besteht eine mathematische Umrechnung von einer Pendelbewegung, die als Überlagerung einer Translation und einer Rotation aufgefasst werden kann, in die gewünschte "echte" Rotation. Obwohl dies theoretisch machbar ist, zeigt sich leider das Problem, dass das eigentlich gesuchte isolierte Rotationsträgheitsmoment im Versuchsaufbau durch einen grossen Betrag "normaler" Massenträgheit überlagert wird. Dadurch wird das berechnete Rotationsträgheitsmoment erheblich ungenauer als vergleichsweise durch eine direkte Messung, in der das gesuchte Rotationsträgheitsmoment schon direkt physikalisch isoliert auftritt und gemessen werden kann. Da es einfach zu realisierende Versuchsaufbauten der reinen Rotation gibt, sollte man auch so verfahren.
 
6) Welchen Einfluss hat der Antrieb?
 
Es gibt "moderne" Hinterradkonstruktionen, in denen rechts radiale Speichen sind und der Antrieb nur über relativ schwach gespannte linke Speichen geht.
Zum Rollen hat dies partiell Vorteile, aber der Antrieb leidet darunter. Die rechten Radialspeichen können naturgemäss nicht antreiben, und die linke Seite ist nicht hart, nicht direkt genug. Von einem Laufradsatz Leistung zu verlangen heisst, Tretenergie optimal in Geschwindigkeit umzusetzen, ohne durch Abpuffern des Antritts unnötige Verluste zu haben. Ein Laufradtest braucht deshalb ausser einem Windkanal und einer vertikalen Belastung, die für den Rollwiderstand notwendig ist, auch noch eine rhythmische Pedalkraft.
Ein Elektromotor kann dies nicht leisten, da er konstantes Moment hat. Gerade dies hat aber ein Fahrer nicht, und wegen der pulsierenden Kraft sind die Abfederwirkungen drehmomentschwacher Aufspeichungen besonders negativ zu beurteilen.
 
7) Was beeinflusst die Seitensteifigkeit?
 
Anzahl, Art, Winkel, Spannung und Anordnung der Speichen, Höhe der Felge und Art der Lager, Klemmkraft der Schnellspanner. Ein Laufradsatz, der seitensteif ist, gibt dem Fahrer eine direkte Rückmeldung der Sicherheit, in
kritischen Situationen den Grenzbereich besser ausloten zu können und somit schneller zu sein. Ein Radsatz, der im Labor gute Teilergebnisse zeigt, im Fahrbetrieb aber unpräzise läuft, kann nicht optimal schnell fahren. Damit
soll keiner subjektiven Willkür das Wort geredet werden, aber es gibt Räder, die "irgendwohin" fahren, dasselbe gilt für Reifen. Bei 35 kmh geradeaus braucht keiner perfektes Handling, aber bei 80 kmh den Glandon hinab schon.
Es hat in der Vergangenheit Laufräder gegeben, die beim seitlichen, beidseitig wirkenden Abdrücken relativ seitensteif waren, aber bei einseitiger lateraler Belastung wie sie im Fahrbetrieb üblich ist, deutlich abkippten. Wenn man sich die spezielle Speichengeometrie dieser Radsätze genau ansieht, fallen einen die Knoten- / seitlichen Überkreuzpunkte dieser Konstruktionen auf, die für das seitliche "Wegklappen" verantwortlich waren. Sie wurden inzwischen abgelöst.
Es macht Spass, sich die Querschnitte von einigen 4 - Spokes anzusehen, wie die Seitenkräfte aufgenommen werden. Die Profile erinnern an die Masten von Hochleistungs - Yachten. Da lachen uns optimierte Exponentialfunktionen an.
 
8) Wie starr darf ein leistungsfähiges Rad sein?
 
Grundsätzlich gilt zuerst, dass ein hartes Rad weniger Energieverluste beim Abrollen zeigt als ein weiches Rad, bei dem die Achse ständig aus der Mitte gedrückt ist und das versucht, aus einer Kuhle bergauf herauszurollen, es aber
wegen der andauernd umlaufenden Deformation nie schafft. Es gibt jedoch Parameter, die ein beliebig hartes Rad schlechter abschneiden lassen. Die Eisenbahn fährt mit Stahlrädern auf glatten Stahlschienen, und das ist
effizient.
Was passiert aber auf rauem, unebenen Untergrund?
Das vorwärtsfahrende Fahrzeug wird durch Unebenheiten zu Vertikalschwingungen angeregt.
Diese Vertikalschwingungen verbrauchen Energie, und diese Energie wird der Vorwärts - Translationsenergie abgezogen. Jeder kennt das: Wir rollen von glattem Asphalt auf Kopfsteinpflaster und werden merklich langsamer, Energie wandelt sich um. Diese Effekte sind mit einer Scheibe, die vertikal sehr hart ist, besonders deutlich. Vergleichsweise ist ein radial mit hoher Spannung, aber dünnen Messerspeichen gespanntes Vorderrad in der Lage, auf diese Vertikalanregung elastisch (ohne plastische Energieabsorption) zu reagieren und der Hauptmasse des fahrenden Verbundes, dem Fahrer, die Vertikalschwingung nur abgemildert weiterzugeben. Die Hauptmasse wird dadurch weniger vertikal beschleunigt, der Translation wird weniger Energie abgezogen. Wenn eine Scheibe auf perfektem Asphalt noch die Nase vorne hat, kann es sein, dass schon auf rauem Asphalt ein gutes Messerspeichen - Rad mit hoher Zugelastizität im Vorteil ist. Es hat in jüngerer Vergangenheit einen TdF Prolog auf nennenswert Kopfsteinpflaster, in Paris? gegeben, da wäre dieser Vergleich von bedeutendem Interesse gewesen. Eine Scheibe stört da subjektiv und objektiv. Asphalt ist unterschiedlich, und um zuverlässige Unterscheidungskriterien unter Hochleistungs - Laufrädern zu ermitteln, ist es ratsam bis unumgänglich, die Glätte oder Rauheit des Belages zu normieren und dies im Test kenntlich zu machen. Radiale und gekreuzte Räder werden sich da auch leicht auseinanderbewegen. Es ist notwendig, reale Strassenbedingungen bei Laborversuchen so gut wie möglich zu imitieren.
 
9) Welche Parameter sind sonst noch relevant?
 
Es sollte selbstverständlich sein, dass bei Testen identische Reifen von Fabrikat, Typ und Grösse mit einheitlichem Luftdruck zum Einsatz kommen. Abweichende Gummimischungen und Oberflächen, Drücke und Grössen, ja selbst
Schläuche beeinflussen die Energie- oder Leistungsbilanz. Hier ist sauberes Arbeiten notwendig. Einen 23mm Reifen mit 8,5 bar kann man nicht mit einem 20mm Reifen mit 8,5 bar vergleichen, vielleicht gerade eben noch mit einem
20mm Reifen mit 9,5 bar. Ansonsten muss da alles gleich sein, sonst kommen beliebige Ergebnisse zu Tage. Seitensteifigkeit prüft man optimal mit definierter Klemmkraft des Spanners, sonst ist der Willkür Tür und Tor
geöffnet. Eine identische Aufspeichung mit zweierlei Lagern und zweierlei Spannern bringt vier verschiedene Ergebnisse!
Von KFZ - Bremsen wissen wir, dass Hydraulik hohe Gleichmässigkeit für Andrücke liefert. Im Labor ist so etwas machbar. Am Rad bewirken praktisch die 5mm Stahlseelen der Schnellspanner, vor allem moderne Oversize -
Aluachsen merklich zu komprimieren und dadurch die Lagerung zu beeinflussen. Manchmal wird eher die Querführung des Lagers gemessen als die laterale Festigkeit der Aufspeichung, aber das ist zugegebenerweise nicht einfach
voneinander zu trennen, ohne das Lager mechanisch "zuzuschweissen".
 
10) Leistung kontra Zuverlässigkeit?
 
Es ist kurzfristig möglich, die mechanischen Eigenschaften eines Laufrades zu "hypen".
Druck und Zugspeichen, links und rechts, können miteinander oder gegeneinander arbeiten im Bezug auf die dynamischen Belastungen.
Eingeweihte der Aufspeichung sehen das schnell. Es gibt mechanische Lösungen, die sich momentan härter fahren, aber durch ständiges Gegeneinanderarbeiten im System früh zu Ermüdungsbrüchen führen. Eine hohe Leistung soll so
beschaffen sein, dass auch nach länger andauernder, rhythmischer Be - und Entlastung noch Sicherheit besteht. Laufräder sollten nicht nur für den Prolog oder Eintagesrennen im Stile von Formel - Eins - Technik sein. Es gibt
zudem Konstruktionen, die bei statischen mechanischen Testen gut abschneiden, im Fahrbetrieb aber bei bestimmten Geschwindigkeiten ausgeprägte dynamische Unruhen aufweisen. Diese Unruhen bedeuten ständiges Arbeiten, was zu frühen Ausfällen führt. Es gibt bestimmte Konstruktionen, bei denen es sich lohnt, den Geschwindigkeitsbereich zwischen 10 und 20 kmh ganz langsam zu durchrollen, sich über den Lenker zu hängen und ganz genau zu sehen, was das Vorderrad da so quer friebelt.
Auch diese Querschwingungen sollten durch einen systematischen "Frequenzscan" unter vertikaler Belastung ermittelt werden, um zu finden, welche Laufradsysteme davon weitgehend frei sind. Andererseits gibt es Konstruktionsprinzipien, in denen bestimmte Belastungen durch geschickte Geometrie merklich reduziert oder durch konsequente Materialwahl qualitativ entschärft werden. Wenn schon Carbon, dann ist Monocoque die bessere Wahl, um den problematischen Übergang von sehr hoher spezifischer Zugspannung der Edelstahlspeichen auf das Carbongefüge zu vermeiden.
 
Das ist mit Sicherheit noch nicht Alles. Die Natur und die Physik gehen weiter.
 
Techniker sollten versuchen, im Interesse von Wettkampfsportlern und Enthusiasten, die Geld ausgeben für Material, das sie im Vertrauen auf Teste und Messungen kaufen, möglichst umfassend und korrekt vorzugehen.
Für Anregungen und Kritik sind Techniker ansprechbar.
 
Maro Moskopp, Dipl. Ing.
 
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