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| Kapitel 19 Federungen |
Fahrradfederungen sind nahezu so alt wie das Fahrrad selbst. Bereits bei den Draisinen gab in Form von federnd aufgehängten Sätteln Bemühungen die auch als "Knochenschüttler" bezeichneten Laufräder komfortabler zu gestalten.
Auch in späteren Zeiten wurden fortwährend Versuche unternommen die durch Fahrbahnunebenheiten hervorgerufenen Beschleunigungskräfte für Rad und Fahrer zu mindern. Die meisten Versuche scheiterten allerdings an allzu labilen Fahreigenschaften, außerdem waren die damaligen konstruktiven Mittel samt Federungsmaterialien begrenzt.
Wieder belebt wurden die Fahrradfederungen durch das MTB. Dessen von Mode und hoher Belastungsintensität geprägte Bauweise ("aufgeblasene" Rahmenrohre, annähernd dreieckiger Vorderbau) eliminierten nahezu jede Elastizität. Einzig verbliebenes Mittel um die Fahrbahnstöße etwas geringer ausfallen zu lassen sind die voluminösen Reifen - wenn sie mit entsprechend niedrigem Luftdruck gefahren werden. Das aber erhöht die Rollreibung und die Defektrate (Reifen-Durchschläge). Bei hohen Down Hill-Geschwindigkeiten kann zudem das Bike unkontrolliert abheben und nicht nur der Fahrer, sondern auch der Zufall steuerten mit.
Wie wichtig das elastische Ausfedern von Fahrbahnschlägen ist, verdeutlicht folgendes Rechenbeispiel:
Rollt ein Biker über ein 5 cm hohes Hindernis, so liegen beim Erstkontakt zwischen dem Auflagepunkt des Reifens auf der Fahrbahn und der Hinderniskante 17 cm Differenz. Innerhalb dieser kurzen Strecke wird das Rad um 5 cm angehoben. Bei Bergauf-Fahrten mit 12 km/h dauert dieser Hubvorgang etwa 5/100 Sekunden; bei einer rasanten Down Hill-Fahrt mit 60 km/h katapultiert hingegen das Bike in einem fünftel der Zeit über diese Kante. Die Beschleunigungskräfte bei solchen Rumplern steigen quadratisch mit der Geschwindigkeit an. Im vorliegenden Beispiel bedeutet das eine Zunahme der Beschleunigungskräfte um den Faktor 25 (!!!). Dabei würden bei einem völligen starren Masse-System von 80 Kilogramm und wenn Hinterrad und Vorderrad gleichzeitig auf je eine Kante aufführen, Beschleunigungskräfte von 96.000 Newton auftreten. Ein geradezu ungeheurer Wert, der einer Gewichtsbelastung von mehr als 9 Tonnen (!!!) entsprechen würde.
In Natura mindert nun bereits die Elastizität von Laufrädern und Fahrer den Schlag um den Faktor 10 bis 15, das sind dann aber immer noch so hohe Beschleunigungskräfte, daß der Bodenkontakt verloren geht, das Bike also abhebt. Der Fahrer besitzt in solchen Schwebephasen keine Lenkmöglichkeiten mehr und hat daher auch keine Kontrolle über das Fahrrad. Es gilt also mit zusätzlicher Elastizität die Beschleunigungskräfte so weit zu reduzieren, daß der Bodenkontakt annähernd gehalten werden kann.
Am effektivsten geschieht dies mit "aktiven" Federungssystemen, bei denen nur die Laufräder die Bodenunebenheiten mitmachen müssen während das restliche Fahrrad und der Fahrer aber abgefedert werden. Später befassen wir uns dann noch mit den "passiven" Federungssystemen, bei denen nur der Fahrer abgefedert wird.
Um mehr über die Federungen zu erfahren, müssen wir ins Detail gehen. Beginnen wir mit den Federn an sich, da wir ja Kräfte benötigen die zunächst gegen Fahrergewicht und Beschleunigung wirken und später nach dem Einfedern die Anlage wieder auf "Null" stellen, also auf den Ausgangspunkt zurück schieben.
Technische Möglichkeiten hierzu bieten einmal entsprechend kräftige Schraubenfedern, die proportinal mehr Kraft benötigen, je weiter sie zusammengedrückt werden. Man spricht da von einer linearen Federkennlinie. Spezielle Ausführungen der Federwicklungen oder das Aufeinander-stapeln unterschiedlich steifer Stahlfedern bewirkt eine Progressivität: Es muß dann mit zunehmenden Federweg zunehmend mehr Kraft aufgewendet werden.
Gummi und Elastomere besitzen von Haus aus eine leicht progressive Kennlinien, die durch das Aufeinander-stapeln unterschiedlich steifer Ausführungen ebenfalls in Richtung deutliche Progressivetät gesteigert werden können.
Auch Luft oder Gase können für Federungszwecke eingesetzt werden. Von einem Kolben in einem gedichteten Zylinder zusammengedrückt, steigt ihr Druck an und ruft eine Federwirkung hervor, die man sich an Hand einer Luftpumpe mit zugehaltenem Pumpenkopf vergegenwärtigen kann. Die Kennlinie der so als Feder genutzten Luft oder Gasen ist ebenfalls progressiv.
Warum aber die nun bereits mehrfach angesprochene Progressivität? Sie verhindert einerseits zuverlässig, daß die Federung bis zum Anschlag eintaucht, also "Durchschlägt", gewährleistet aber andererseits, daß die Federung bereits bei kleineren Unebenheiten "anspricht".
Wie oben bereits angedeutet, können Beschleunigungskräfte bereits durch rein elastische Ausweichsbewegungen abgemildert werden. Es stört allerdings das sogenannte Nachschwingen: Elastische Teile des Fahrrades oder Federelemente geben zunächst den Stoßkräften nach, schwingen dann allerdings über ihre Ausgangslage hinaus zurück. Bei einem einzelnen Stoß wäre dies nicht weiter störend, bei kurz aufeinander folgenden Stößen kann es jedoch zu Resonanzerscheinungen kommen. Das macht sich bereits durch unangenehme Wipp-Erscheinungen bemerkbar. Schlimmer noch wird es, wenn der nächste Stoß genau gegen das überschwingende System erfolgt. Die dann auftretenden Beschleunigungskräfte können unter Umständen noch höher ausfallen als bei ungefederten Fahrrädern.
Mit gezielten Reibungsverlusten kann das Nachschwingen gemildert oder ganz vermieden werden. Bereits eine gezielte Reibung in den Drehgelenken oder in der Führungen der Federgabeln machen sich hier positiv bemerkbar. Schlichtweg ideal aber erweisen sich für nahezu alle Federungen die Öl-Dämpfungs-Elemente: Mit dem Eintauchen der Federung wird Öl durch enge Kanäle gepreßt, was eine dämpfende Reibung verursacht. Über Ventile läßt sich der Ölfluß zudem so steuern, so daß beim Zurückfedern die Ölreibung entschieden höher ausfällt, als beim Einfedern. Damit vermeidet man sehr zuverlässig das Nachschwingen, ja meist auch noch das die hohen Beschleunigungskräfte verursachende Überschwingen der Federung.
Eine zu hohe Dämpfung ist allerdings dann auch wieder negativ: Die Federung kann unter Umständen noch nicht wieder in die Ausgangslage zurückgekehrt sein, wenn der nächste Stoß erfolgt. Und kommen die Stöße kurz hintereinander, würde das Federungssystem weiter und weiter eintauchen, bis der Einfederungsweg ausgereizt ist und die Federung auf ihrem Anschlag liegt. Genau hier liegt der Bereich der Federungsabstimmung, was nichts anderes heißt als sein Bike in Sachen Federhärte und Dämpfungshöhe auf sein Körpergewicht, seine eigenen Ansprüche oder die jeweiligen Streckenverhältnisse einzustellen, siehe hierzu weiter unten die "Tips zur Federungsabstimmung"
Einfederungsweg/Einfederungsrichtung
Ein weiters Kriterium bei Fahrradfederungen ist der Einfederungsweg. Mit zunehmendem Weg, mit dem Laufräder den Beschleunigungskräften ausweichen können, reduziert sich die restliche, noch auf die restliche Fahrrad- und Fahrermasse einwirkende Belastung. Oder: Es können größere Bodenunebenheiten überrollt werden. Anfänglich begnügten sich die Biker mit 4 bis 5 cm Einfederungsweg, streben heute jedoch 7 bis 10 cm an, um noch rasanter abfahren zu können. Das aber stellt größere Anforderungen an die Federelemente sowie an die Haltbarkeit der Federungsmechanik. Mehr als 10 cm Federweg sind beim Fahrrad wieder problematisch, da Tretkurbeln und Kettenblätter ja nicht auf dem Boden aufsetzen dürfen.
Ein meist vernachlässigter Gesichtspunkt bei Fahrradfederungen ist die Einfederungsrichtung. Im Idealfall sollten die Einfederungswege so ausgerichtet sein, daß Laufräder den einwirkenden Beschleunigungskräften genau in Stoßrichtung ausweichen können. Je nachdem nun aber eine Kante überfahren, ein Schlagloch durchfahren, auf eine Rampe aufgefahren oder von einem Absatz heruntergesprungen wird ist die Stoßrichtung unterschiedlich, ja bereits verschieden hohe Hindernisse bewirken eine Änderung der Stoßrichtung. Diese Richtung ist immer die gedachte Linie vom Einwirken der Beschleunigungskräfte auf Reifen und Felge und der Nabenachse, von der aus die Kräfte auf den Rahmen oder die Federung weitergeleitet werden. Bei der geometrischen Umsetzung der Einfederungsrichtung müssen Kompromisse eingegangen werden, denn keine Federung kann allem möglichen Stoßrichtungen gerecht werden. Die Haupt-Einfederungsrichtung ist dabei natürlich vertikal nach oben, es ist aber auch sinnvoll, wenn die Laufräder dem Hindernis auch zu 20 bis 30% nach hinten ausweichen können. Schwenkt das Laufrad dagegen beim Einfedern dem Hindernis entgegen, so ist das weniger optimal.
Bei den Federgabeln haben sich ob ihrer einfachen Bauweise momentan die Teleskopgabeln etabliert, die eine lineare Ausweichbewegung des Vorderrades bewirken und dabei knapp 20 % nach hinten, also weg vom Hindernis ausweichen können. Ein guter Kompromis, der wohl auch den Erfolg dieser Gabeln begründete. Um ihre Nachteile, das ungleichmäßige Einfedern der einzelnen Gabelbeine, sowie das leichte Verdrehen der Beine gegeneinander zu vermeiden, versucht man sich mit Zentralfederungen im Gabelschaft und mit Gabelschwingen. Die Zentralfederung ist nicht nur elegant, sie verdickt sozusagen automatisch das am höchsten belaste Rohr des Fahrrades, das Gabelschaftrohr. Ein echter Sicherheitsaspekt. Hinsichtlich der Einfederungsrichtung etwas ungünstiger als die Teleskopgabel (die Gabelbeine stehen etwas schräger als das Gabelschaftrohr), stellt diese Federungsart hohe Fertigungsansprüche (Dichtung, Übertragung des Lenk-Drehmomentes).
Gabelschwingen führen einen Einfederungsweg aus, der ein Kreisbogen um das Drehgelenk beschreibt. Liegt das Drehgelenk weiter oben, hinter der Vorderradnabe, so verläuft diese Ausweichsbewegung jedoch leicht gegen das Hindernis, was nicht ganz so günstig ist. Optimale Einfederungswegen dagegen besitzen Schwingengabeln, die entweder (Cannondale "Studie: 2000)") ein vor die Vorderradnabe verlegtes Drehgelenk besitzen oder das Gelenk hinter der Vorderradnabe tief absenken. Schier katastrophal hingegen sind die Federwege die Pedelgabeln beschreiben. Sie weichen zwar optimal dem Hindernis aus, stellen aber da Fahrrad regelrecht auf, wenn die Gabel nach hinten, ausfedert.
Noch komplizierter wird es bei den Hinterradfederungen, da es hier ja auch noch den Kettenzug zu bändigen gilt und der sogenannte "Pedalschlag" verhindert werden sollte. Letzeres passiert, wenn beim Einfedern zusätzliche Kettenlänge benötigt wird, wodurch das Kettenblatt, Kurbeln und Pedale schlagartig gegen die Kurbelumdrehungsrichtung bewegt werden.
Beim "Eingelenker" ist daher die Lage Schwingendrehpunkt. Liegt das Schwingengelenk unterhalb der Kettenblätter, so federt das Hinterrad nahezu senkrecht nach oben. Vom Kettenzug belastet taucht das System beim Antritt allerdings leicht nach unten ein. Da sich beim Einfedern die Kettenlänge nur geringfügig ändert, bleibt der Pedalschlag unbedeutend.
Liegt der Schwingendrehpunkt in Höhe der Kettenblätter, so beschreibt das Hinterrad bereits eine geringfügige Bewegung weg vom Hindernis. Der Kettenzug wirkt nahezu zentral auf das Schwingengelenk, so daß er keine Bewegung der Federschwinge verursacht. Auch hierbei ist kaum ein Pedalschlag zu spüren.
Mit zunehmender Höhe der Drehgelenke oberhalb der Kettenblätter wird die Ausweichsbewegung, die das Hinterrad beim Einfedern beschreibt, günstiger. Der Kettenzug zieht die Federung auf ihren Anschlag, wodurch sich das Fahrrad nicht aufbäumen kann. Allerdings wirkt dieser Zug dann auch dem Einfedern entgegen erhöht also sozusagen die Federhärte des Systemes. Negativ hingen: Mit dem Einfedern wird mehr Kettenlänge benötigt. Wir haben es hier also mit kräftigen Pedalschlägen zu rechen, die um so höher ausfallen, je höher der Drehpunkt oberhalb der Kettenblätter gelegen ist.
Beim "Viergelenker" werden Kettenzug und Pedalschlag mittels einer Parallelogrammschwinge wirkungslos gemacht. Dazu besitzen zwei parallel oder schräg zueinander angeordnete Schwingenarme an jeder Seite ein Drehgelenk. Die nun sind im Bereich von Tretlager und Kettenblätter am Sattelrohr fixiert und am anderen Ende führen sie einen mehr oder weniger lang ausgeführten Querarm, an dem das Hinterrad gehalten wird. Die Einfederungsrichtung erfolgt zwar wieder vorwiegend nach oben, Kettenzug und Pedalschlag bleiben ohne nennenswerte Wirkung.
Einst als Ei des Kolumbus gehandelt doch jetzt umstritten ist die "Antriebsschwinge": Ein Eingelenker, bei dem das Tretlager mit in die Schwinge intergriert wird. Kettenzug und Pedalschlag sind damit völlig eliminiert, jedoch verhärtet sich die Federung wenn der Fahrer auf dem Pedal steht. Dieser Effekt kann zwar durch einen in Tretlagernähe angebrachten Drehpunkt gering gehalten, aber nicht eliminiert werden.
So, nun haben wir aber noch einen Aspekt zu berücksichtigen: Die Auswirkung kräftiger Wiegetritte. Wuchtet der Fahrer sein Körpergewicht im Stehen auf das Pedal, so entsteht ein zur Farbahn gerichteter Schwung, die Federung eintauchen läßt. Besonders bergauf oder bei Antritten nutzt der Fahrer diese Trittvariante, da so kurzzeitig mehr Kraft auf das Pedal zu bringen ist. Taucht dabei jedoch die Federung ein, so verpufft ein Teil der Kraft des Fahrer in der ungewollten Betätigung der Federung. Daher muß auch hier nach technischen Wegen gesucht werden und dies zu umgehen. Eine Möglichkeit bieten hoch angesetzte "Losbrech-Momente". Das sind erstens hohe Federvorspannungen, die höher liegen als die durch den Wiegetritt auftretenden Beschleunigungskräfte oder zweitens gezielte Reibungsverluste (hohe Dämpfung) sein, die ebenfalls das Eintauchen der Federung reduzieren.
Der Nachteil beider Maßnahme liegt in dem Umstand, das erst größere Bodenunebenheiten ausgefedert werden, bei kleineren Fahrbahnwelligkeiten oder Naturstraßen spricht die Federung dann noch nicht an. Der Vorteil liegt darin mit dem zur Verfügung stehenden Federwegen sparsamer umgehen zu können, daß sie also sozusagen für größere Bodenunebenheiten oder Hindernisse aufgehoben werden.
Die eleganteste Möglichkeit zur Lösung dieses Problems bieten manuelle Sperrungen der Federung. Mit einem am Lenker angebrachten Hebel kann die Federung bei Bedarf blockiert werden. Ähnliche Wirkung zeigen Verstellmöglichkeiten vom Lenker aus in Sachen Federhärte oder Dämpfung. Letzteres stellt die sinnvollste Maßnahme gegen das Wiegetritt-Eintauchen dar, da der Biker hiermit seine Federung während der Fahrt auch an die unterschiedliche Fahrbahnverhältnisse anpassen kann.
1. Federgabel: Ein einfaches Mittel um festzustellen, wie weit die Gabeln bei Bodenunebenheiten eintauchen, besteht darin einen Kabelbinder halbwegs stramm am Standrohr zu befestigen. Er wird beim Einfedern vom Tauchrohr nach oben geschoben und zeigt damit an, wieviel von dem Federweg ausgenutzt wird. Als Faustregel gilt: 85 bis 90% des Federweges sollte bei forscher Probefahrt auf unebenen Terrain ausgenutzt werden. Die restlichen Prozente dienen als Sicherheit für die ganz üblen Rumpler. Nutzen Sie weniger des Federweges aus, so sollten die Federelemente weicher eingestellt werden. Schlägt die Gabel bereits durch: Federhärte erhöhen.
Diese Veränderung erfolgt am einfachsten bei Luftfedern durch Erhöhen des Luftdruckes in der Federgabel. Bei Stahl- oder Elastomerfedern kann zwar eine Abstimmung in engen Bereichen durch Verändern der Vorspannung erfolgen, ansonsten muß die Gabel geöffnet und die Federelement gegen weichere oder härtere Ausführungen ausgetauscht werden. Wettkampfbiker mögen es hier in der Regel etwas härter (größeres Losbrechmoment), da sie öfter mal im Wiegetritt fahren. Freerider hingegen setzen mehr auf gute Ansprechbarkeit der Federung und längere Federwege.
2. Hinterradfederung: Messen Sie den Abstand aus, den das Tretlager Ihres Bikes zum Boden besitzt. Nun in Fahrposition auf das Bike setzen und den Abstand Tretlage/Boden von Helfer ausmessen lassen. Die Federung sollte nicht mehr als 10 bis 15 % ihres Federweges eintauchen. Eine Verstellung der Federhärte kann bei Luftdämpfern wieder durch Erhöhen des Luftdruckes im Stoßdämpfer erfolgen, bei Stahlfeder-Dämpfer durch höhere Vorspannung oder durch Austausch auf eine härtere Feder. Achtung: Viele Bikes besitzen mehrere Löcher, in denen das Federbein befestigt werden kann. Hier läßt sich durch einfaches Ummontieren des Stoßdämpfers (längerer oder kürzerem Hebeleinwirkung auf der Federschwinge) die Hinterradfederung härter oder weicher abstimmen.
Was tun beim Fully-Wippen? Gerade Freeride-Bikes sind teilweise so weich abgestimmt, das beim härteren Tritt bergauf das Bike Wipp-Bewegungen um seine Längsachse vollführt. Neben dem Trimmen in Richtung härtere Federungselemente, kann man dieses unangenehme und bergauf auch kraftzehrende Wippen durch Erhöhung der Dämpfung eliminieren. Effekt: Das Wippen ist vom Tisch, die gute Ansprechbarkeit auf bereits kleinere Bodenunebenheiten bleibt weitgehens erhalten.
Erste Versuche, dem Fahrer die Fahrbahnstöße zu mildern, wurden bereits mit Draisinen unternommen: Der Sattel war auf einer Blattfeder montiert. Da das Verhältnis Fahrermasse zur Fahrzeugmasse bei heutigen Fahrrädern etwa 8:1 beträgt, haben passive Federungen auch heute noch ihren Sinn, da sie mit geringem mechanischen Aufwand einen Großteil der Beschleunigungskräfte eliminieren. Das Manko der heute realisierten passiven Federungen ist ihre mangelnde Dämpfung sowie die zum Teil noch nicht optimierten Einfederungsrichtungen.
Möglichkeiten der passiven Federung:
a) Sattel: Die einfachste Art einer passiven Federung, mit der sich immerhin Federungswege von 4 bis 5 cm erreichen lassen.
b) Sattelstütze: Federnde, zum Teil sogar mit Dämpfungselementen bestückte Sattelstützen lassen den Fahrer angeblich "wie auf Wolken schweben". In der Realität liegt die vom Sattelrohr vorgegebene Einfederungsrichtung allerdings nicht optimal. Besser: Ausführungen bei denen der Federweg schräg nach hinten verläuft.
c) Sattelschwinge: Ähnliche, aber noch bessere Wirkung, zeigt der "Schwebebalken", der mittlerweile in verschiedenen Ausführungen angeboten wird. Auch bei den Sattelschwingen ist die Einfederungsrichtung noch nicht optimiert. Fehlende Dämpfung macht sich bei hohen Trittfrequenzen durch vertikale Wippbewegeungen bemerkbar. Andererseits aber erzieht genau dies den Radfahrer zum "runden Tritt", der ökonomischsten Pedalierweise.
d) Lenkervorbau: Ein Parallelogramm zwischen Lenkerauge und Vorbauschaft mindert Fahrbahnstöße auf den Lenker, da dieser nun in etwa vertikal ausweichen kann. Zum Teil einstellbare Federelemente zwischen dem Parallelogramm-Armen beeinflussen die Einfederungshärte und -tiefe. Störend wirkt sich allerdings schnell auftretendes Lagerspiel der Parallelogramm-Gelenke aus (schwammiges Lenkgefühl).
Denkbar, zum Beispiel für den Rennradsport (bei ja viel Wiegetritt gefahren wird), wäre eine Kombinationen von aktiver und passiver Federung (Gabel federt aktiv, Sattelschwinge passiv). Das wäre mit nur geringem Gewichtzuwachs verbunden, konstruktiv relativ einfach zu lösen und damit kostengünstig. Auch für weniger sportlich genutzte MTB´s oder Trekkingräder wären solche Kompromisse sinnvoll, machen sie doch das Radeln komfortabler und sicherer.
Fahrradfederungen befinden sich immer noch im Stadium der Erprobung. Eine Normierung oder Standartisierung ist nicht in Sicht. Das Federbike ist das Renomee, das Image-Produkt der Hersteller, mit dem sie ihre technische Präsenz zu beweisen versuchen. Messen und Medien sind voll von diesen hauseigne Entwicklungen. Allerdings zeichnet sich bei den Federgabeln bereits die Tendenz zu der einfachen, leichten und mittlerweile auch bewährten Teleskopgabel ab und hier scheint sich auch die Öldämpfung im offenen Ölbad (bessere Wärmeabführung) durchzusetzen. Bei den Hinterradfederungen ist der Eingelenker mit Drehpunkt in Kettenblatthöhe am meisten vertreten, aber auch die Antriebsswinge hat seine Freunde.
Preisgünstige Lösungen für gefederte Trekking- City- und Gebrauchsräder "kommen" immer mehr auf den Markt, der Anteil wird aber im Vergleich zum Mountainbike in den nächsten Jahren noch vergleichsweise gering sein, obwohl die Vorteile auch hier auf der Hand liegen: Mehr Fahrkomfort, mehr Sicherheit und weniger Reifendurchschläge. Das sind ebenso wie Image und technischer Fortschritt Kaufmotive die schlichtweg überzeugen.
Ein weiterer Einsatz von Fahrradfederungen war bereits auf den Herbstmessen auszumachen: Wie weiland bereits von Sir Alex Moulton demonstriert, können mittels Federung auch kleine Laufrädern gute Roll- und Klettereigenschaften erhalten. Die Entwicklungen für einen weiteren Absatzmarkt in Richtung gefederter Kompakt-, Klapp- und Zerlegeräder scheint bereits anzulaufen.
Copyright und redaktionelle Inhalte:
Dipl.Ing.FH Christian Smolik 1994 -
03.08.1999
technische Umsetzung:
Dipl.Ing.FH Jörg Bucher zuletzt am
24.08.1999