Fachkunde Fahrradtechnik

Bearbeitet von Ulrich Artmann, Rüdiger Bellersheim, Ernst Brust, Michael Gressmann, Franz Herkendell, Dietmar Hertel, Jens Leiner

6. Auflage. 2016. Buch. 568 S. Softcover ISBN 978 3 8085 2298 1 Format (B x L): 17,2 x 23,8 cm Gewicht: 967 g

Weitere Fachgebiete > Technik > Verkehrstechnologie > Fahrzeugtechnik

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Fachkunde Fahrradtechnik

6. Auflage

Bearbeitet von Gewerbelehrern, Ingenieuren, Sachverständigen und Zweiradmechanikermeistern

Lektorat: Dipl. Ing. Michael Gressmann, Borken (He)

VERLAG EUROPA-LEHRMITTEL · Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG Düsselberger Straße 23 · 42781 Haan-Gruiten

Europa-Nr.: 22917

TTitelei.indditelei.indd 1 111.07.161.07.16 12:0312:03 2 Impressum

Autoren der Fachkunde Fahrradtechnik Artmann, Ulrich Köln Bellersheim, Rüdiger Ibbenbüren Brust, Ernst Schweinfurt Gressmann, Michael Borken (He) Hertel, Dietmar Erftstadt Herkendell, Franz Bonn Leiner, Jens Bremen

Leitung des Arbeitskreises und Lektorat Michael Gressmann

Bildbearbeitung Zeichenbüro des Verlags Europa-Lehrmittel, 73760 Ostfildern Grafische Produktionen Jürgen Neumann, 97222 Rimpar

Der Verlag und die Autoren bedanken sich beim Bundesinnungsverband für das Deutsche Zweirad- mechaniker-Handwerk für die Hilfe zur Erstellung des Fachbuches.

Weiterer Dank gebührt Herrn Rainer Perske (Münster), Herrn Jürgen Worch (Freiburg) und Herrn Thomas Veidt (Hettenhain) für Text- und Bildbeiträge sowie hilfreiche Korrekturhinweise.

Das vorliegende Buch richtet sich selbstverständlich an Mechanikerinnen und Mechaniker – allerdings haben die Autoren aus Gründen der besseren Lesbarkeit die männliche Form gewählt.

6. Auflage 2016

Druck 5 4 3 2 1

Alle Drucke derselben Auflage sind parallel einsetzbar, da sie bis auf die Behebung von Druckfehlern untereinander unverändert sind.

ISBN 978-3-8085-2298-1

Alle Rechte vorbehalten. Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der gesetzlich geregelten Fälle muss vom Verlag schriftlich genehmigt werden.

© 2016 by Verlag Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG, 42781 Haan-Gruiten © 2006 by http://www.europa-lehrmittel.de

Satz: Grafische Produktionen Jürgen Neumann, 97222 Rimpar Umschlag: braunwerbeagentur, 42477 Radevormwald Umschlagfotos: Scott Sports AG, 85748 Garching und Pinion GmbH, 73770 Denkendorf Druck: B.O.S.S Medien GmbH, 47574 Goch

TTitelei.indditelei.indd 2 111.07.161.07.16 12:0312:03 Vorwort 3

Das Fachkundebuch „Fahrradtechnik“, das inzwischen in der 6. Auflage vorliegt, vermittelt die not- wendigen Fachkenntnisse, die im Ausbildungsrahmenplan für die betriebliche Ausbildung und im Rahmenlehrplan für die Ausbildung in der Grund- und Fachstufe der Berufsschule aufgeführt sind. Daneben dient das Tabellenbuch „Fahrradtechnik“ aus dem gleichen Verlag als Nachschlagewerk von Daten und Fakten rund um alle Fahrrad-Sachgebiete. Zur Vertiefung von Kenntnissen rund um Elektro- zweiräder ist im gleichen Verlag das Buch „Fachwissen E-Bike“ erschienen.

Die Inhalte des Fachkundebuchs entsprechen den für diesen Fachbereich geltenden technischen Re- geln und den gesetzlichen Verordnungen sowie fachbezogenen Vorschriften, insbesondere den DIN- Normen. Fragen des Umweltschutzes und der Arbeitssicherheit sind in den jeweiligen Kapiteln ange- messen berücksichtigt.

Die bisherige Bezeichnung für den Ausbildungsberuf „Zweiradmechaniker(in)“ ist geändert worden in „Zweiradmechatroniker(in) der Fachrichtung Fahrradtechnik“. Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, dass die technische Weiterentwicklung des Fahrrades hohe fachspezifische Anforderungen an die Auszubildenden stellt. Neue Fahrradbauarten, insbesondere die Vielfalt an Elektrofahrrädern, die Verwendung neuer Werkstoffe, neue Leichtbaukonstruktionen, der Einzug der Elektronik in Kom- ponenten der Kraftübertragung (Beispiel: Di2-Schaltung von Shimano) und Bremssysteme, gestie- gene Anforderungen an Produktsicherheit, Service und Kundenwünsche prägen das Berufsbild des Zweiradmechatronikers(in) der Fachrichtung Fahrradtechnik.

Das vorliegende Fachbuch begleitet die Auszubildenden im Betrieb, in der überbetrieblichen Ausbil- dung und in der Berufsschule und leistet wertvolle Hilfe bei der Vorbereitung auf die Zwischen- und Abschlussprüfungen. Es ist auch für den zukünftigen Meister und Servicetechniker ein wichtiger Be- gleiter in Theorie und Praxis. Es sollte als Nachschlagewerk in keiner Werkstattbibliothek des Zwei- radhandwerks fehlen. Aber auch Lehrkräfte an allgemeinbildenden Schulen, an denen das Fahrrad oft Gegenstand von Unterrichtsinhalten ist und als Projekt in vielfältiger Form auftaucht, können von diesem Buch profitieren.

Die weite Verbreitung und Nutzung aller Arten von Pedelecs und E-Bikes machte eine umfangreiche Überarbeitung und Aktualisierung des Kapitels „Elektrofahrräder“ erforderlich. Hier bilden die Fachge- biete „Gleichstrommotoren“ und „Akkumulatoren“ inhaltliche Schwerpunkte.

Eine Überarbeitung und Aktualisierung erfuhren aufgrund neuer Produkte und geänderter gesetzlicher Bestimmungen die Kapitel „Laufräder“ und „Elektrische Ausrüstung“.

Das Kapitel „Fachrechnen“ ist um Musteraufgaben und Projektaufgaben rund um das Elektrofahrrad erweitert worden.

Im Jahr 2015 ist die DIN EN ISO 4210 „Sicherheitstechnische Anforderungen für Fahrräder“ in Kraft ge- treten. An vielen Stellen im Fachbuch sind daraus wichtige Beschlüsse und Prüfverfahren aufgenom- men. Sie machen den Zweiradmechatronikern deutlich, welche Bedeutung Sicherheitsanforderungen im Gebrauch von Fahrrädern haben.

Weitere Schwerpunkte sind Inhalte mit rechtlichen und betriebswirtschaftlichen Anteilen: Präsentation und Kundenberatung Verkauf und Kalkulation Produktsicherheit Haftung und Gewährleistung.

Noch ein Hinweis: Wenn im vorliegenden Fachbuch die Rede vom Radfahrer, Benutzer, Techniker und Auszubildender ist, ist auch immer die weibliche Form gemeint.

Autoren und Verlag sind allen Benutzern der Fachkunde Fahrradtechnik für kritische Hinweise und Verbesserungsvorschläge unter [email protected] dankbar.

Sommer 2016 Autoren und Verlag

TTitelei.indditelei.indd 3 111.07.161.07.16 12:0312:03 4 Firmenverzeichnis und Bildnachweis

Die nachfolgend aufgeführten Firmen haben die Autoren durch fachliche Beratung, durch Informati- ons- und Bildmaterial unterstützt. Es wird ihnen hierfür herzlich gedankt.

Abus AG, Wetter Grofa GmbH, Bad Camberg Schwalbe (R. Bohle), Reichshof ADFC, Bremen Hartje GmbH & Co.KG, Hoya Scott Robertson, Culver City (USA) Airwings Hillreiner, Hirtlbach Hebie GmbH, Bielefeld Selle Royal, Pozzoleone (Italien) Alex Moulton Bicycles, Heinzmann, Schönau Shimano (Paul Lange), Stuttgart Bradford o.A., GB Hercules, Neuhof a.d. Zenn Sigma-Elektro GmbH, Alligator Ventilfabrik GmbH, Neustadt/Weinstraße HP Velotechnik OHG, Kriftel Giengen SQLab GmbH, Taufkirchen Kindersicherheit GmbH, Ulm AT-Zweirad, Altenberge SRAM Deutschland GmbH, Klüber Lubrication KG, München AVK Industrievereinigung, Schweinfurt verstärkte Kunststoffe e.V. Frankfurt KTM Fahrrad GmbH, SRAM Europe, Mattighofen (Österreich) Baringo Barometerfabrik, Villingen- Nijkerk (Niederlande) Schwenningen Lienergy GmbH, Olching Stahlwille, Wuppertal Basta, Schwerte Magura (G. Magenwirth GmbH), Stolz Rahmenbau, Zürich (Schweiz) Bad Urach Bionicon-Inwall AG, Rottach-Weissach Sturmey-Archer Europa N.V., Michelin, Karlsruhe Birkhold GmbH, Steinheim/Albuch Amsterdam Modolo, San Vendemiano (Italien) Britax Römer Toho Tenax Europe GmbH, NC-17 Europe GmbH, Frechen Wuppertal Busch und Müller, Meinerzhagen P&K Lie GmbH, Hamburg TPW ROWO Material Testing GmbH, by.schulz GmbH, Saarbrücken Neuss Pantherwerke AG, Löhne Campagnolo, Leverkusen UVEX-Sports GmbH, Fürth Paul engineering, Coventry (GB) Cannondale B.V., Allschwil Veidt Rahmenbau, Marburg (Schweiz) Philip Douglas, Maschwanden (Schweiz) Velocity Stahlroß GmbH, Bonn Continental AG, Korbach Pletscher, Marthalen (Schweiz) velotech.de, Schweinfurt Cycle Union, Oldenburg Polar, Büttelborn Weber Technik Werkzeugbau Dipl.-Ing. Robert Bastian, Aachen GmbH, Breitbrunn Prophete, Rheda-Wiedendrück Dipl.-Ing. Thomas Mertin (THM), Wulfhorst, Gütersloh Alt Duvenstedt RA-CO GmbH, Kerspleben Zedler Institut für Fahrradtechnik Derby Cycle, Cloppenburg Riese und Müller, Darmstadt und -Sicherheit GmbH, DT Swiss, Schönaich Rohloff AG, Fuldatal Ludwigsburg edevis GmbH, Stuttgart Sachs Fahrzeuge und Zefal, Winnenden Motorentechnik, Nürnberg Freudenberg Simrit GmbH & Co. ZEG Zweirad-Einkaufs- KG, Weinheim SAPIM (Sandmann), Hagen Genossenschaft eG, Köln Gates Carbon Drive, Lübbrechtsen schaeffler technologies GmbH & Co ZF Sachs AG, Schweinfurt KG, Herzogenaurach GfT Gesellschaft für Tribologie e.V., Zopf Biegemaschinen GmbH, Aachen Schindelhauer, Magdeburg Haldenwang GMA-Werkstoffprüfung GmbH, Schmidt Maschinenbau, Tübingen Zweirad Röckle, Leonberg CFK-Prüfzentrum Stade

Verlag und Autoren bedanken sich für besondere Unterstützung bei der Herstellung des Fachkunde- buchs Fahrradtechnik. Stahlwille, Wuppertal Velotech.de, Schweinfurt Handwerkskammer Rhein-Main, Frankfurt Focus-bikes (Derby Cycle), SRAM, Schweinfurt Cloppenburg Bundesinnungsverband Zweirad- Schwalbe (R. Bohle), Reichshof mechaniker-Handwerk, Bonn Busch + Müller, Meinerzhagen GROFA (Park Tool), Bad Camberg Verlag Delius Klasing, Bielefeld ADFC, Bremen Rohloff, Fuldatal VSF-Akademie, Aurich Shimano (Paul Lange), Stuttgart

TTitelei.indditelei.indd 4 111.07.161.07.16 12:0312:03 Inhalt 5

1 Grundstufe Fahrradtechnik 9 3 Fahrradbauarten 101 1.1 Prüfen und Messen ______9 3.1 Standardbauarten ______101 1.1.1 Grundbegriffe und Definitionen _____ 9 3.2 Sporträder ______104 1.1.2 Messen ______10 3.3 Kinder- und Jugendfahrräder ______106 1.1.3 Messabweichungen ______10 3.4 Weitere Bauarten ______107 1.1.4 Prüfmittel ______11 3.5 Anhänger ______111 1.2 Maschinenelemente ______14 3.6 Fahrräder mit Hilfsantrieb ______112 1.2.1 Schraubverbindungen und Gewinde 14 1.2.2 Nietverbindungen ______22 4 Elektrofahrräder 113 1.2.3 Bolzen und Stifte ______23 4.1 Typen von Elektro-Zweirädern ______113 1.2.4 Lager ______24 4.2 Komponenten von Elektrofahrrädern 115 1.2.5 Dichtungen ______26 4.3 Antriebsarten und Einbauort von 1.3 Fertigungsverfahren ______28 Motoren ______117 1.3.1 Grundlagen des Spanens ______28 4.4 Gleichstrommotoren ______121 1.3.2 Sägen ______29 4.4.1 Funktion und Aufbau von 1.3.3 Feilen ______30 Kollektormotoren ______121 1.3.4 Bohren, Senken und Reiben ______31 4.4.2 Fachbegriffe, Definitionen und 1.3.5 Gewinde und Gewindeschneiden ___ 38 Kennlinien ______122 1.3.6 Spanende Fertigung mit 4.4.3 Bauarten von Gleichstrommotoren __ 125 Werkzeugmaschinen ______41 4.5 Antriebssteuerung ______128 1.3.7 Scherschneiden ______43 4.6 Sensoren ______130 1.3.8 Biegen von Blechen ______43 4.7 Bedienung und Display ______132 1.3.9 Biegen von Rohren ______44 4.8 Energierückgewinnung ______133 1.4 Werkstofftechnik ______45 4.9 Akkus ______134 1.4.1 Eigenschaften von Werkstoffen _____ 45 4.9.1 Elektrochemische Spannungs- 1.4.2 Stahl ______48 erzeugung ______134 1.4.3 Aluminium ______51 4.9.2 Bauarten von Akkus ______135 1.4.4 Titan ______54 4.9.3 Ladegeräte, Akkupack und Kennwerte 138 1.4.5 Magnesium ______55 4.9.4 Bauformen von Lithium-Ionen-Akkus 140 1.4.6 Faserverstärkte Werkstoffe ______56 4.9.5 Batterie-Management-System ______140 1.5 Tribologie und Verschleiß ______61 4.9.6 Umgang mit Lithium-Ionen-Akkus ___ 142 1.5.1 Tribologisches System ______61 4.9.7 Montageorte von Akkus ______143 1.5.2 Reibung ______63 1.5.3 Oberflächen metallischer Bauteile ___ 66 5 Rahmen, Lenkung, Federung 144 1.5.4 Verschleiß ______66 5.1 Kräfte und Momente am 1.5.5 Tribochemische Reaktionen ______69 Fahrradrahmen ______144 1.6 Grundlagen der Elektrotechnik und 5.1.1 Vertikalkräfte ______144 Elektronik ______74 5.1.2 Horizontalkräfte ______145 1.6.1 Elektrische Größen ______74 5.1.3 Seitenkräfte ______146 1.6.2 Berechnung elektrischer Größen ____ 76 5.1.4 Biegemomente ______147 1.6.3 Messen elektrischer Größen ______77 5.2 Rahmentest ______148 1.6.4 Schaltungen ______78 5.3 Rahmenbauarten ______150 1.6.5 Bauelemente ______78 5.4 Rohrherstellung ______154 1.7 Steuerungs- und Regelungstechnik __ 89 5.4.1 Stahlrohre ______154 1.7.1 Steuern ______89 5.4.2 Aluminiumrohre ______155 1.7.2 Regeln ______89 5.4.3 Carbonrohre ______156 1.7.3 EVA-Prinzip ______91 5.4.4 Rohrverfeinerungen ______156 1.7.4 Signalarten ______91 5.4.5 Zuschneiden der Rohre ______157 1.7.5 Signalweg ______92 5.5 Rahmenfügen ______158 1.7.6 Steuerungsarten ______92 5.5.1 Löten ______158 1.7.7 Verknüpfungen ______95 5.5.2 Schweißen ______163 5.5.3 Kleben ______166 2 Geschichte des Fahrrades 98 5.5.4 Herstellen von Carbonrahmen ______167 5.5.5 CFK-Schäden und Prüfverfahren ____ 171

TTitelei.indditelei.indd 5 111.07.161.07.16 12:0312:03 6 Inhalt

5.6 Rahmengeometrie ______182 7.1.2 Sicherheitstechnische 5.6.1 Rahmenhöhe und -länge ______182 Anforderungen und Prüfungen ______293 5.6.2 Radstand und Fußfreiheit ______183 7.1.3 Kraftübertragung und 5.6.3 Tretlagerhöhe und Bodenfreiheit ____ 184 Übersetzungsverhältnis ______295 5.6.4 Nachlauf, Rücksprung und 7.2 Bauarten von Bremsen ______297 Absenkung ______185 7.2.1 Felgenbremsen ______297 5.6.5 Einfluss auf das Fahrverhalten ______187 7.2.2 Nabenbremsen ______308 5.7 Kontrolle von Rahmen und Gabeln __ 188 5.8 Rahmen- und Gabel-Anbauteile _____ 191 8 Laufräder 321 5.9 Lenkung ______194 8.1 Druckspeichenrad ______321 5.9.1 Gabel ______194 8.2 Drahtspeichenrad ______321 5.9.2 Steuersatz ______197 8.2.1 Radiale Belastung ______322 5.9.3 Vorbau ______201 8.2.2 Antriebsbelastung ______322 5.9.4 Lenker ______204 8.2.3 Seitenbelastung ______323 5.10 Sattel und Sattelstütze ______210 8.3 Scheibenräder ______326 5.10.1 Sattel ______210 8.4 Vorschriften und Prüfverfahren _____ 327 5.10.2 Sattelstütze ______212 8.5 Naben ______328 5.11 Fahrradfederung ______214 8.5.1 Ausführungen von Naben ______328 5.11.1 Aufgaben der Fahrradfederung _____ 214 8.5.2 Vorderradnaben ______329 5.11.2 Das ungefederte Fahrrad ______214 8.5.3 Hinterradnaben ______330 5.11.3 Elemente der Federung ______217 8.5.4 Nabenklemmung ______331 5.11.4 Fachbegriffe der Federtechnologie __ 224 8.5.5 Nabenlagerung ______333 5.11.5 Ausführungen von Federungen _____ 229 8.5.6 Nabendichtungen ______334 5.11.6 Physik der Fahrradfederung ______236 8.5.7 Freilauf ______335 8.6 Felgen ______338 6 Antrieb 242 8.6.1 Werkstoffe und Herstellung ______338 6.1 Pedalbewegung ______242 8.6.2 Felgentypen ______339 6.2 Tretlagersatz ______242 8.6.3 Felgenprofile ______340 6.2.1 Verbindung Kurbelarm-Lagerwelle __ 242 8.6.4 Felgengeometrie ______341 6.2.2 Tretlager ______244 8.6.5 Bremswirkung von Felgen ______341 6.2.3 Kurbelarme und Kettenblätter ______246 8.6.6 Speichenlöcher und Felgenbänder __ 343 6.2.4 Kurbellänge ______248 8.7 Speichen ______344 6.2.5 Pedalabstand ______248 8.7.1 Eigenschaften und Herstellung von 6.2.6 Kettenlinie ______249 Speichen ______344 6.3 Pedale ______250 8.7.2 Speichenausführungen ______346 6.3.1 Pedalgewinde ______250 8.7.3 Einspeicharten ______347 6.3.2 Pedalprüfung ______251 8.7.4 Ermittlung der Speichenlänge ______349 6.3.3 Pedallagerung ______252 8.7.5 Standard-Einspeichanleitung ______350 6.3.4 Pedalausführungen ______252 8.8 Fahrradbereifung ______353 6.4 Fahrradkette ______255 8.8.1 Vorschriften ______353 6.4.1 Aufbau einer Fahrradkette ______255 8.8.2 Reifenaufbau ______353 6.4.2 Kettenreibung und Kettenverschleiß _ 256 8.8.3 Vulkanisieren ______354 6.4.3 Kettenfügen ______257 8.8.4 Bauarten von Reifen ______355 6.4.4 Kettenlänge bei Kettenschaltungen __ 258 8.8.5 Reifenprofile ______358 6.5 Zahnriemen ______260 8.8.6 Fahrradschlauch ______360 6.6 Fahrradschaltungen ______262 8.8.7 Fahrradventile ______362 6.6.1 Nabenschaltungen ______262 8.8.8 Größenbezeichnungen von Reifen __ 364 6.6.2 Kettenschaltungen ______280 8.8.9 Reifendruck ______366 6.6.3 Schalthebel ______285 8.8.10 Rolleigenschaften von Reifen ______366 6.6.4 Weitere Schaltsysteme ______288 9 Elektrische Ausrüstung 368 7 Bremsen 293 9.1 Gesetzliche Grundlagen ______368 7.1 Vorschriften ______293 9.2 Lichtmaschine ______369 7.1.1 Gesetzliche Vorschriften ______293 9.2.1 Spannungserzeugung durch Induktion 369

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9.2.2 Generatorbauarten ______370 12.9.1 Grundlagen Bremsen ______428 9.3 Lichtquellen ______374 12.9.2 Überschlagsgefahr ______429 9.3.1 Temperaturstrahler ______374 12.9.3 Bremsen in der Kurve ______430 9.3.2 Leuchtdioden ______375 9.4 Beleuchtungsanlage ______377 13 Oberflächenschutz 431 9.4.1 Scheinwerfer, Frontleuchte ______377 13.1 Lacke ______431 9.4.2 Schlussleuchte (Rückleuchte) ______379 13.2 Beschichtungsverfahren ______431 9.4.3 Rückstrahler ______380 13.2.1 Nasslackierung ______431 9.4.4 Standlicht ______381 13.2.2 Pulverlackierung ______432 9.4.5 Verkabelung ______381 13.2.3 Kombinationen von Lackierungen __ 433 9.5 Sicherheits- und 13.2.4 Elektrotauchlackierung ______433 Komforteinrichtungen ______381 13.3 Eloxieren ______434 9.6 Fehlersuche in der Beleuchtungsanlage ______383 14 Schmierung, Reinigung und Pflege 435 9.7 Fahrradcomputer ______384 14.1 Schmierung ______435 9.8 Elektrische Spannungsversorgung 14.1.1 Aufgaben und Arten von für Mobilgeräte ______386 Schmierstoffen ______435 9.9 GPS-Navigation ______386 14.1.2 Schmierstoffe in der Fahrradinstandhaltung ______437 10 Zubehör 388 14.1.3 Prüfverfahren für Schmierstoffe _____ 440 10.1 Schutzblech und Kettenschutz ______388 14.1.4 Alterung, Neuschmierung und 10.2 Gepäckträger ______389 Entfettung ______440 10.3 Kindersitze ______391 14.1.5 Tribologische Sonderfälle in der 10.4 Fahrradständer ______392 Fahrradtechnik ______441 10.5 Glocke ______393 14.2 Pflege und Reinigung von 10.6 Luftpumpe ______394 Fahrradbauteilen ______445 10.7 Fahrradschlösser ______395 14.3 Abfallentsorgung ______452 10.8 Helm ______396 14.3.1 Gesetzliche Grundlagen ______452 10.9 Sicherheitszelle ______397 14.3.2 Beseitigung von Abfällen in Fahrradgeschäften ______452 11 Anpassung und Ergonomie 398 11.1 Körpermaße ______398 15 Instandhaltung, Werkzeuge 454 11.2 Fahrrad- und Positionsmaße ______399 11.3 Ergonomie ______407 16 Arbeitssicherheit 462 11.3.1 Muskeln als Motor ______407 16.1 Gesetzliche Grundlagen ______462 11.3.2 Sitzposition und Pedalkraft ______408 16.2 Sicherheitszeichen ______462 11.3.3 Individuelle Sitzpositionen ______409 16.3 Gefahrstoffe ______463 11.4 Energie- und Leistungsbilanz ______413 16.4 Persönliche Schutzausrüstung ______464 16.5 Unfallverhütung ______465 12 Fahrmechanik 416 12.1 Masse, Trägheit und Gewicht ______416 17 Produktsicherheit 466 12.2 Kraft und Gegenkraft ______418 17.1 Benutzerinformation für 12.3 Reibungskräfte ______418 Gebrauchsgüter ______466 12.3.1 Haftreibung ______419 17.1.1 Informationspflicht ______466 12.3.2 Gleitreibung ______419 17.1.2 Informationsinhalte ______466 12.3.3 Rollreibung ______420 17.1.3 Informationsfehler ______466 12.4 Schlupf ______420 17.2 Gewährleistung ______467 12.5 Gleichgewicht ______421 17.2.1 Sachmangel ______467 12.5.1 Labiles Gleichgewicht ______421 17.2.2 Beweislastumkehr ______467 12.5.2 Dynamisches Gleichgewicht ______421 17.3 Haftung ______467 12.6 Kurvenfahrt ______421 17.3.1 Haftungsansprüche ______467 12.7 Kreiselkräfte ______423 17.3.2 Zivilrechtliche Produzentenhaftung __ 468 12.8 Lenksystem ______425 17.4 Garantie und Kulanz ______468 12.9 Bremsen ______428 17.5 Normen ______469

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17.5.1 Das DIN ______469 19.1.2 Wirtschaften ______492 17.5.2 Normungsarbeit ______469 19.2 Der Betrieb ______493 17.5.3 Sicherheitsnormen Fahrrad ______469 19.2.1 Merkmale der Unternehmung ______493 17.6 Gesetzliche Vorschriften Fahrrad ____ 470 19.2.2 Rechtsformen ______493 17.6.1 Die StVZO ______470 19.2.3 Organisation eines Betriebes ______494 17.6.2 Bauvorschriften Fahrrad ______471 19.2.4 Lagerhaltung ______494 17.6.3 Typprüfung Fahrrad ______471 19.2.5 Kalkulation ______496 17.7 Sicherheitstechnische 19.3 Der Markt ______497 Untersuchungen ______471 19.3.1 Markt und Wettbewerb ______497 17.7.1 Betriebslasten ______471 19.3.2 Marketinginstrumente ______497 17.7.2 Betriebslastenermittlungen ______472 19.4 Der Verkauf ______498 17.7.3 Messfahrten und Labormessungen __ 473 17.7.4 Prüfgrundlagen ______473 19.4.1 Der Kunde ______498 17.7.5 Testverfahren, Testeinrichtungen ___ 473 19.4.2 Verkaufsgespräche ______499 17.8 Schadensbegutachtung ______477 19.4.3 Werkstattorganisation ______500 17.8.1 Sach- und Körperschäden ______477 19.4.4 Die Ware ______501 17.8.2 Produkt- und Instruktionsfehler _____ 477 19.4.5 Der Kaufvertrag ______502 17.8.3 Gerichts- und Privatgutachten ______477 19.4.6 Zahlungsverkehr ______503 17.9 Risiken ______477 19.4.7 Warenpräsentation ______504 17.10 Produktsicherheit Elektrofahrrad ____ 478 20 Fachrechnen und physikalisch- 18 Antriebssysteme mit technologische Grundlagen 505 Verbrennungsmotoren 479 20.1 Längen ______505 18.1 Otto-Viertaktmotor ______479 20.2 Drehzahl ______505 18.1.1 Arbeitsschritte des Otto-Viertakt- 20.3 Geschwindigkeit ______505 motors ______479 20.4 Beschleunigung und Verzögerung __ 507 18.1.2 Aufbau des Otto-Viertaktmotors _____ 480 20.5 Anhalteweg und Bremsweg ______507 18.2 Otto-Zweitaktmotor ______482 20.6 Masse und Dichte ______507 18.2.1 Aufbau des Otto-Zweitaktmotors ____ 482 18.2.2 Arbeitsschritte des Otto-Zweitakt- 20.7 Trägheit und Trägheitsmoment _____ 508 motors ______482 20.8 Flächenmoment und 18.3 Motorsteuerung ______483 Widerstandsmoment ______508 18.4 Motorschmierung ______484 20.9 Kraft ______508 18.4.1 Mischungsschmierung ______484 20.10 Antriebsschlupf und Bremsschlupf __ 513 18.4.2 Frischölschmierung ______484 20.11 Mechanische Arbeit ______513 18.4.3 Druckumlaufschmierung ______485 20.12 Energie ______514 18.4.4 Trockensumpfschmierung ______485 20.13 Leistung ______514 18.5 Motorkühlung ______485 20.14 Wirkungsgrad ______516 18.5.1 Luftkühlung ______485 20.15 Drehmoment ______517 18.5.2 Flüssigkeitskühlung ______486 20.16 Hebel und Bremsen ______517 18.6 Betriebsstoffe ______486 20.17 Kreiselmoment und Kreiselkraft ____ 527 18.6.1 Kraftstoffe ______486 20.18 Getriebe ______527 18.6.2 Schmierstoffe ______487 20.19 Kurvenfahrt ______533 18.7 Zündung ______487 20.20 Federung ______534 18.7.1 Zündkerze ______488 20.21 Festigkeit ______543 18.7.2 Erzeugung des Zündfunkens ______488 20.22 Elektrotechnik ______545 18.8 Gemischaufbereitung ______489 18.8.1 Vergaser ______489 20.23 Projekt Elektrofahrrad ______547 18.8.2 Einspritzanlage ______491 18.9 Abgasanlage ______491 21 Sponsoren 550

19 Wirtschaftskunde 492 Sachwortverzeichnis 545 19.1 Grundlagen der Wirtschaftskunde ___ 492 19.1.1 Bedürfnisse ______492

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Bei den Elektrofahrrädern kommen sowohl Innen- Im Grunde genommen handelt es sich bei einem als auch Außenläufer zum Einsatz. Die Entschei- BLDC-Motor um einen dreiphasigen Synchron- dung darüber hängt vom Einbauort des Antriebs motor, da die Magnetfelder des Stators und des ab. Für Mittelantriebe (Tretlagerantrieb) werden Rotors mit der gleichen Frequenz rotieren. Je- meist Innenläufer eingesetzt (Bild 1), Radnaben- der Strang wird mit sinusförmiger (Bild 2a) oder antriebe mit und ohne Getriebe sind Außenläufer. blockförmiger Spannung (b) angesteuert. Vereinfachtes Prinzip: Als Rotor dienen Perma- Die Sinuskommutierung erfolgt gleichmäßiger nentmagnete, während der feststehende Stator als die Blockkommutierung. Je nach Rotorpositi- aus mehreren Elektromagneten besteht. on werden die Ströme sinusförmig den Wicklun- gen zugeführt. 4 Statorspulen Sinuskommutierte Steuerung U

Rotor Regelung Regelung Regelung Regelung Regelung Regelung 37

Volt Messung Messung

Spannung 0 Bild 1: Grundprinzip eines bürstenlosen Gleich- strommotors, Stabmagnet als Innenläufer a) Zeit

Der elektronische Kommutator steuert die Stator- Blockkommutierte Steuerung spulen zeitlich versetzt an, so dass ein rotieren- des äußeres Magnetfeld (Drehfeld) entsteht, dem Messung Messung der Rotor folgt. Dazu muss der Drehwinkel des

Rotors exakt erfasst werden, damit die Spulen im U Regelung Regelung 37 richtigen Zeitpunkt einen Stromimpuls erhalten. Volt Meist sind es Hallsensoren (siehe Seite 88), die ständig die Rotorlage erfassen und an das Steu- Spannung 0 ergerät weiterleiten. b) Zeit

Bild 2: Ansteuerung der Wicklungen a) mit sinus- Unter Kommutierung versteht man das Um- förmiger b) mit blockförmiger Spannung schalten der Ansteuerung des Ankerstromes. Sensoren erfassen die Lage des Rotors und Bei der Blockkommutierung werden den drei Mo- veranlassen die Ansteuerung. torwicklungen Ströme aufgezwungen, die nach jeweils 60° umschalten. Beispiel Bild 3: Ein Innen- Bei sensorlosen Motoren wird die rückwirkende läufer mit einem zweipoligen Dauermagnetrotor Induktionsspannung (EMK, siehe Seite 123) er- und mit drei um 120° gegeneinander versetzten fasst und als Lagegeber benutzt. Ankerspulen als Ständer.

+ +

12 12 +

+

3 + 12 3 12 +

a) c)

3 + + 3 b) d)

Bild 3: Veränderung der Rotorposition bei Blockeinspeisung (Modellvorstellung, Quelle Ösinghausen)

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Je nach Pedaldruck verdrehen sich die Drehmo- menthülse und damit auch die Magnetstreifen. Die dabei entstehende Induktionsspannung wird als Maß dem Steuergerät übermittelt. Moderne Drehmomentsensoren (Bild 3) registrie- ren bis zu 72 Drehzahlimpulse pro Kurbelumdre- hung. Durch die kurzen Reaktionszeiten braucht der Fahrer nur wenige cm zurückzulegen, bis die gewünschte Unterstützung einsetzt. 4

Bild 1: Ein Sensor für die Trittkraft misst die Verbiegung am Ausfallende

Funktionsweise: Bringt der Benutzer beim Pe- dalieren Kräfte über die Kette auf das Ritzel ein, bewirkt dies eine elastische Durchbiegung der Hinterradachse. Die vom Fahrer eingebrachten Kräfte werden als Signale kontinuierlich von Sen- soren in der Hinterradachse gemessen und an das Steuergerät weitergeleitet. Das Steuergerät regelt dann das abgebende Motormoment je nach ein- Bild 3: FAG-Drehmomentsensor-Innenlager (Schaeffler) gestellter Unterstützungsstufe. Wenn der Radfahrer in der Ebene fährt, tritt er nur mit leichter Kraft – der Drehmomentsensor und Minimagnete auf die Steuerung sorgen dafür, dass der Elektromo- Drehmomenthülse Freilauf Kettenrad tor nur wenig unterstützt. Muss der Radfahrer bei Steckverbindung Gegenwind oder am Berg kräftiger treten, signa- lisiert der Drehmomentsensor dem Steuergerät, dass der Motor mehr Leistung abgeben muss. Dadurch schaffen diese Fahrräder den Spagat zwischen guter Unterstützung am Berg und hoher Reichweite.

Pedal- Pedal- Dieses Steuerungskonzept bietet gegenüber der dreh- dreh- reinen Bewegungssteuerung folgende Vorteile: moment moment • Besseres Fahrgefühl, denn der Fahrer merkt Drehmomenthülse direkt, wie die eigene Kraft vom Antrieb ver- Drehmoment- Sensorspule (feststehend) stärkt wird. • Höhere Reichweite, da die Energie proportional Bild 2: Berührungsloser Drehmomentsensor im zur Tretkraft des Radfahrers eingesetzt wird. Tretlagergehäuse • Einfachere Bedienung, da der Radfahrer wie ge- wohnt in die Pedale treten muss – die Anfahr- Funktion des Drehmomentsensors im Tretlager- hilfe durch den Motor kommt von alleine. gehäuse: Wird rechts oder links in die Pedale ge- Bei dem Steuerungskonzept „Kraft- oder Drehmo- treten, überträgt die Drehmomenthülse das ein- mentsensor“ ist eine Anfahrhilfe nicht erforder- geleitete Drehmoment auf den Freilauf, der die lich, da das Steuergerät bei Pedalberührung so- Tretlagerwelle mit dem Kettenblatt kuppelt. fort erfährt, dass der Radfahrer anfahren möchte. Auf die Drehmomenthülse ist eine Folie mit Weitere Möglichkeiten der Antriebssteuerung sind: Minimagneten geklebt. Darüber befi nden sich zwei Spulen, die gegenläufi g von Strom durch- • Messung der Deichselkraft bei Betrieb mit ei- fl ossen werden. Die Spulen sind fest mit dem nem Schubanhänger Tretlagergehäuse verbunden, so dass keine Ka- • Messung der elektrischen Werte über einen belzuführung über Schleifringe erforderlich ist. Pedalgenerator (meist beim Pedelec 45).

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Lithium-Ionen-Akku + Generator – Metallisches Lithium ist als Elektrodenmaterial Aufladung Separator Graphit für Anwendungen in Elektrofahrzeugen ungeeig- net, da es stark mit Wasser reagiert und brennbar ist. Erst die Lithium-Ionentechnik vermeidet diese Einschränkungen. Aufbau: Man nimmt Elektroden

aus Kupfer oder Aluminium und überzieht diese Li+ + mit Schichten von Metalloxiden und Graphit. In Li diesen Schichten beider Elektroden wird Lithium Anode in Ionenform (Li+) eingelagert. Kathode Li+ 4 Eine Lithium-Ionen-Zelle besteht aus der nega- Al Cu tiven Graphitelektrode (Anode), der positiven Lade- Lithium-Metalloxid-Elektrode (Kathode), dem vorgang Elektrolyten und dem Separator, der die beiden Elektroden trennt (Bild 1). Metall nicht-wässrige Sauerstoff (hier Kobalt) Lithium Elektrolytlösung + Kobalt/ – Separator Bild 2: Aufladen einer Lithium-Ionen-Zelle Nickel

An der Pluselektrode lösen sich die eingelagerten Lithiumionen aus den Metalloxidschichten und wandern durch den Elektrolyten und dem Sepa- rator zur negativen Graphitelektrode. Dort verbin- den sie sich mit den Elektronen, die das Ladege-

Anode rät liefert. Die nun neutralen Lithiumatome lagern Kathode sich in die Graphitschichten ein. Dieser Vorgang wird fortgeführt, bis alle Lithium-Ionen eingela- Al Cu gert sind. Das Ladegerät wird entfernt und der Elektrolyt Akku ist aufgeladen.

Sauerstoff Lithium-Ion Graphit Entladen des Akkus

Bild 1: Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle mit Kobalt- Beim Entladen gibt das atomare (neutrale) Lithi- Nickeloxiden um Elektronen an den äußeren Stromkreis ab, die sich in der Kathode ansammeln (Bild 3). Zurück Die Kathode aus Aluminium kann mit unter- bleiben positiv geladene Lithiumionen. Diese schiedlichen Oxiden der Grundmetalle Mangan, wandern im inneren Stromkreis zur Kathode und Nickel, Kobalt und andere beschichtet sein. lagern sich dort in den Metalloxidschichten ab. Der Separator aus Polymeren oder aus Keramik ist nur für die Lithiumionen durchlässig. + Verbraucher – Der wasserfreie Elektrolyt besteht aus organi- Separator Entladestrom schen Lösungsmitteln (Achtung: Kontaktgift und Graphit brennbar!)1. Beim Lithium-Polymer-Akku ist der Elektrolyt nicht fl üssig, sondern gelartig und bil-

det gleichzeitig den Separator. Li+ Li+ Die Nennspannung einer Akkuzelle ist abhängig

vom Elektrodenmaterial und liegt zwischen 3,6 Anode Kathode Li+ und 4 Volt.

Aufl aden des Akkus Al Cu Entlade- Zum Aufl aden werden mit dem Ladegerät Elektro- vorgang nen von der Pluselektrode (Kathode) „abgesaugt“ und zur Minuselektrode (Anode) „gepumpt“ (Bild Metall nicht-wässrige 2). Sauerstoff (hier Kobalt) Lithium Elektrolytlösung Bild 3: Entladen einer Lithium-Ionen-Zelle 1 Elektrolyt aus Lithiumhexafluorphosphat

KKapap 4 (113-143).indd(113-143).indd 137137 111.07.161.07.16 10:3010:30 138 4 Elektrofahrräder

4.9.3 Ladegeräte, Akkupack und Zunächst liegt die Spannung (= Zellenspannung, Kennwerte Nominalspannung oder auch Nennspannung) ei- ner fast entladenen Akkuzelle bei 3,6 V. Beim An- Ladegeräte schließen des Ladegeräts steigt sie langsam auf Lithium-Ionen-Akkus benötigen ein „intelligen- knapp 4,2 V und bleibt konstant. Beim Erreichen tes“ Ladegerät, da der Ladestrom, die Akkuspan- der Maximalspannung (= Ladeschlussspannung) nung (über die Zeit), die Akkutemperatur und die verringert das Ladegerät den Strom umgekehrt Ladezeit überwacht werden müssen. Dabei ge- proportional zur weiter steigenden Spannung, bis nügt es oft, eine der Einfl ussgrößen seitens des der Ladestrom einen minimalen Wert unterschrei- 4 Ladegerätes zu steuern. tet. Zu diesem Zeitpunkt sind die Zellen vollstän- dig geladen. Ein Timer unterbricht den Ladevor- Bei der I-Ladung (Stromkennlinie) wird der Strom gang im richtigen Moment. auf einen Höchstwert begrenzt, wobei dieser die Ladegeschwindigkeit beeinfl usst. Bei der U-La- Nach einer defi nierten Ladezeit muss eine funkti- dung (Spannungskennlinie) ist die Ladespannung onsfähige Zelle geladen sein. Daher wird die La- limitiert. International sind hierfür die Begriffspaa- dung abgebrochen, wenn nach dieser Zeit nicht re CC-charge (Constant Current) und CV-charge der Zustand „Zelle voll“ erreicht wird. (Constant Voltage) üblich. info Oftmals werden die beiden Ladekennlinien zu ei- Entlade-Schlussspannung: Um eine Tiefentla- ner Strom/Spannungs-Kennlinie kombiniert: IU- dung zu vermeiden, dürfen Lithiumakkus nicht Kennlinie oder CCCV-Ladung (Bild 1). unter einen bestimmten Spannungswert entla- den werden. Diese Spannung liegt geringfügig unterhalb der Zellenspannung (Nennspan- + nung). Eine typische Entlade-Schlussspannung beträgt 2,5 V. Uconst Üconst Lade- Ladeschlussspannung: Lithiumakkus dürfen spannungs- Akku nur auf eine bestimmte Spannungshöhe gela- quelle den werden, da sie ansonsten zerstört werden. Daher muss das Ladegerät auf den exakten Spannungswert eingestellt werden. Die typi- – sche Ladeschlussspannung einer Li-Ionen-Zel- le liegt bei 4,2 V. Ladung einer Lilon-Zelle mit 1 C Anfangsstrom nach der IU-Kennline Bei einer Überladung oder einer Tiefentladung 4,5 Ladespannung kann es zu irreversiblen Schädigungen und zu V/A 2000 3,5 Kapazitätsverlusten kommen. Für die Verhin- Eingeladene derung dieser sicherheitskritischen Ereignisse ist 3,0 mAh Kapazität das Batterie-Management-System (BMS) zustän- 2,5 dig. 2,0 1000 1,5 Abschaltung C-Rate, C-Wert 1,0 Ladestrom 500 0,5 Mit der C-Rate wird der maximale Ladestrom an- Eingeladene Kapazität 0 0 gegeben. Man multipliziert den C-Wert mit der 04050608010 20 30 min Ladespannung und Ladestrom Kapazität und erhält als Ergebnis den maximalen Ladedauer Ladestrom. Bild 1: IU-Ladevorgang und Ladekurve einer Lithium- Ionen-Zelle Beispiel: Bei der für Lithium-Ionen-Akkus empfohlenen IU- Bei einem Akku mit 2 Ah-Zellenkapazität und Ladung wird anfangs der Strom durch das Lade- einer C-Rate von 2 C soll der Ladestrom 2 · 2 = gerät begrenzt. Dabei steigt die Ladespannung 4 A nicht überschreiten. bis zum eingestellten Höchstwert an. Zu diesem Zeitpunkt tritt die Spannungsbegrenzung in Kraft. Zu beachten ist, dass die auf dem Akku angege- Ab hier sinkt dann der Strom bis zu einem Mini- bene C-Rate häufi g (werbewirksam) zu hoch an- malwert, an dem die Ladung beendet wird. gegeben ist.

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Kapazitätsmessung Zur Bestimmung der im Akku enthaltenen Kapazi- + + + + tät gibt es mehrere Methoden. Wichtig: Man muss die Randbedingungen wie Temperatur und Entla- destrom berücksichtigen. 1. Verlauf der Spannung über der Zeit am Akku- pack messen. 2. Die eingespeiste Ladung „mitzählen“ und die – – – – entnommene Ladung davon subtrahieren 4 (Coulomb Counting“ oder „Gas Gauge“). 3. Das „Impedance Tracking“, das im laufenden Betrieb die Impedanz der Zelle bestimmt. Da- Bild 2: Vier Einzelzellen parallel geschaltet mit wird eine relativ genaue Kapazitätsbestim- mung möglich, die aber Kenntnis der Zellen- Die Nennkapazität (Nominalkapazität) eines chemie voraussetzt. Akkus ergibt sich aus der Kapazität der Einzel- zelle multipliziert mit der Anzahl der parallel Akkupack verschalteten Zellen. Ein Akkupack (Modul) besteht aus einer Vielzahl einzelner Zellen, die mithilfe von Nickelstreifen Bilden sowohl seriell als auch parallel verschalte- durch Punktschweißung in Serien- und Parallel- te Zellen einen Akkupack, so ergeben sich verän- schaltung verbunden sind. Da die einzelne Zelle derte Spannungen und Kapazitäten. als kleinste Einheit eines Akkupacks für die meis- Der Aufbau eines Akkupacks wird in Kürzeln an- ten Anwendungen eine zu geringe Spannung gegeben. Beispiel: 10S4P. 10S steht für 10 in Serie und/oder Kapazität besitzt, wird sie mit weiteren (Reihe) geschaltete Zellen, 4P für 4 parallel ge- Zellen verbunden. schaltete Zellenreihen. Um die Spannung zu erhöhen, werden Zellen seri- ell (in Reihe) verschaltet (Bild 1). Wichtig: Es muss Beispiel (Bild 3): darauf geachtet werden, dass die einzelnen Zellen Ein Akku soll eine Spannung von 18 V bei einer bei Ladeende dieselbe Spannung aufweisen. Ach- Kapazität von 4 Ah aufweisen. Die Einzelzellen tung: Bei Ausfall einer Zelle wird der komplette haben eine Spannung von 3,6 V und eine Ka- Stromkreislauf unterbrochen. pazität von jeweils 2 Ah. Man muss 5 Blöcke aus je 2 parallelgeschalteter Zellen in Serie Die Zellenspannung (Nominalspannung) des schalten. Die Kurzschreibweise des Akkupacks Akkupacks ergibt sich aus der Nominalspan- lautet: 5s2p. nung der Einzelzelle multipliziert mit der An- zahl der seriell verschalteten Einzelzellen. – +

–+ –+ –+ –+ –+ + – + – –+ –+ –+ –+ –+

BMS

– + – + Bild 3: Akkupack 5s2p

Ein 10s5p-Akkupack mit 10 · 5 = 50 Zellen der Zel- Bild 1: Vier Einzelzellen in Serie geschaltet lenspannung 3,6 V und der Kapazität 2 Ah ergibt eine Gesamtspannung von 10 · 3,6 = 36 V und ei- Eine parallele Verschaltung ergibt mehr Kapazität ner Gesamtkapazität von 5 · 2 = 10 Ah. Die gespei- (Bild 2). Alle Zellen haben stets die gleiche Span- cherte Energie beträgt 10 Ah · 36 V = 360 Wh. nung, da sie sich durch die Parallelschaltung an- gleichen. 1 Impedanz = Wechselstromwiderstand

KKapap 4 (113-143).indd(113-143).indd 139139 111.07.161.07.16 10:3010:30 140 4 Elektrofahrräder

Vergleich der Speichermengen Zellengehäuse nfo i + – Separator Wichtig: Man darf die Kapazitäten des Akkus nicht einzeln vergleichen, sondern es müssen Li1+xMn2O4 die Spannungen mit einbezogen werden. So Al hat ein 36 V-Akku mit einer Kapazität von „nur“ 10 Ah mit 360 Wh deutlich mehr Energie gespei- Li1+xMn2O4 chert als ein 24 V-Akkupack mit dem (lt. Wer- Separator bung) „höheren 12 Ah (= 288 Wh). Dieser Unter- Cu 4 schied macht sich in der Reichweite bemerkbar. Carbon Carbon

4.9.4 Bauformen von Lithium-Ionen-Akkus Bild 2: Prismatische Li-Ion-Zelle Für Lithium-Ionen-Zellen konzentrieren sich die Bei der Pouch-Zelle wird anstelle des festen Ge- Hersteller auf drei Bauformen. häuses ein fl exibles verwendet, das aus beidseitig kunststoffbeschichteter Aluminiumfolie besteht Die zylindrische Zelle (Bild 1) ist die am weitesten (Bild 3). Die Komponenten werden in der Abfolge verbreitete Ausführungsform. Das Format ist stan- Anode – Separator – Kathode aufgestapelt. dardisiert und wird in einer fünfziffrigen Zahl an- gegeben. Die ersten zwei Ziffern geben den Durch- Cu messer in mm, die dritte, vierte und fünfte Stelle ergeben die Länge in 1/10 mm. Carbon

Beispiel Standardzelle 18650: + Durchmesser 18 mm, Länge 65 mm Separator

–

Die zylindrische Zelle ist einfach zu produzieren, Li1+xMn2O4 mechanisch stabil und erreicht im Vergleich zu Zellengehäuse (plastik- anderen Formen die größten Energiedichten. Auf- beschichtete Alufolie) Al grund ihrer Form hat sie jedoch eine schlechte Bild 3: Pouch-Li-Ion-Zelle (Coffebag-Zelle)) Wärmeabfuhr. Die Zellchemie ist bei dieser Batterie in ein stabiles Rundgehäuse integriert. Die Zelle ist Diese Stapel werden entweder aus bereits zuge- innen hohl, damit die Batterie bei Belastung (Er- schnittenen Komponenten gefertigt oder von der wärmung) nach innen „atmen“ kann und sich nicht Rolle aus laminiert und gestanzt. Vorteile die- nach außen ausdehnt. ser Bauform sind ihre guten Kühleigenschaften, formbedingt ein gutes Raum-Masse-Verhältnis Zellengehäuse (Packaging), das niedrige Gewicht und eine gute + Wärmeableitung. Hohe Energiedichten bei ver- Separator gleichsweiser günstiger Fertigung sind möglich. Nachteilig sind die geringere mechanische Stabi- Li1+xMn2O4 lität, die Dichtheit und ein mögliches Aufblasen der Al Zelle durch einen erhöhten Innendruck bei unkon- trollierter Gasentwicklung. – Li1+xMn2O4 4.9.5 Batterie-Management-System Cu Separator Die wichtigste elektronische Komponente ist das Carbon Carbon Batterie-Management-System (BMS). Neben der Bild 1: Zylindrische Li-Ion-Zelle Steuerung und Überwachung des Ladezustandes dient es als Schnittstelle zwischen Elektrofahrrad Ähnlich wie die zylindrische Zelle ist die prismati- und Akkumulator-Kommunikation. Unter Verwen- sche Zelle aufgebaut (Bild 2). Die Komponenten dung von Sensorik werden Strom, Spannungen, werden in der Abfolge Anode – Separator – Katho- Temperaturen der Einzelzellen und des Gesamt- de – Separator zu einem Flachwickel aufgewickelt systems gemessen und geregelt. Damit trägt das und ein prismatisches festes Gehäuse verpackt. Die BMS als ein zentraler Bestandteil zur Sicherheit bei. rechteckige, fl ache Form ermöglicht im Vergleich Darüber hinaus ermöglicht es die Fehlerprotokol- zur Zylinderform eine bessere Wärmeabfuhr. Nach- lierung und das Zu- und Abschalten des Systems teilig ist die aufwändigere Fertigung. (Bild 1, Seite 141).

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Beispiel: Ein Akku, bestehend aus zwei Zellen mit je 3,7 V Kühl- Zellenspannung, ist seriell verschaltet. Die No- platte minalspannung beträgt 7,4 V, die Ladeschluss- spannung 8,4 V (4,2 V pro Zelle). Wird beim Voll- laden auf 4,2 V pro Zelle eine Zelle etwas voller als eine andere geladen, z. B. 4,4 V die eine und 4,0 V die andere, ergeben sich auch 8,4 V.

Das Ladegerät wird „annehmen“, der Akku sei 4 Strom- Kontroll- Kühl- Temperatur Spannung stärke system Temperatur voll, da er die 8,4 V-Ladeschlussspannung erreicht hat. In Wirklichkeit ist er irreparabel beschädigt, da die eine Zelle mit 4,4 V überladen wurde. Um diesem Effekt vorzubeugen, reicht es nicht aus, ein Ladegerät mit einer angepassten Ladeschluss- Batterie-Management- Einzelzellen- spannung zu verwenden. Man benötigt ein Gerät, Management System (BMS) das die einzelnen Zellen überwacht. Dieses elekt- 1 Temperatur- Batterie- Zustands- Ladezustand- ronische Bauteil ist ein Balancer . Manage- Betriebs- über- Manage- ment algorithmus wachung ment Beim passiven Ladungsausgleich werden beim Ladevorgang die stärksten Zellen gezielt über Fehler- management ohmsche Widerstände leicht entladen, um die schwächeren Zellen vollständig aufl aden zu kön- nen (Bild 2). Von Nachteil ist, dass ein Teil der Bild 1: Schema Batterie-Management-System Energie in Verlustwärme umgewandelt wird und für den Fahrbetrieb nicht zur Verfügung steht. Ein BMS vereint eine Vielzahl von Funktionen: • Einzelzellen-Überladeschutz • Einzelzellen-Tiefentladeschutz starke • Balancing-Funktion Zelle • Temperaturkontrolle

Einzelzellen-Überladeschutz schwache Zelle Ladespannung Das BMS schützt jede einzelne parallele Zellengrup- Ladezeit pe vor Überladung. Lithiumakkus vertragen keine Überladung, da sie ab einer bestimmten Spannung Bild 2: Prinzip passiver Ladungsausgleich irreparabel beschädigt werden. Sollte ein falsches Die schwächeren Zellen mit der niedrigen Kapazi- Ladegerät an den Akku angeschlossen sein, schützt tät erreichen beim Laden schneller die obere zuläs- das BMS vor einer schädlichen Überladung. sige Spannungsschwelle. Der Ladevorgang wird Einzelzellen-Tiefentladeschutz abgebrochen, obwohl die stärkeren Zellen mit der höheren Kapazität noch nicht vollständig geladen Eine Tiefentladung eines Lithiumakkus muss unter sind. Dem Benutzer steht nach dem Ladevorgang allen Umständen vermieden werden. Sie schädigt nicht die volle Energiemenge zur Verfügung. die Zellen und verkürzt die Lebensdauer. Das BMS überwacht jede einzelne parallele Zellengruppe Beim aktiven Ladungsausgleich wird elektrische und schaltet bei Unterschreitung einer kritischen Ladung von einer Zelle zu einer anderen Zelle Spannung ab. transportiert. Man unterscheidet das kapazitive und induktive Verfahren. Balancing Beim kapazitiven Verfahren wird ein Kondensator Lithiumakkus reagieren empfi ndlich auf Über- parallel zur Zelle mit der höheren Spannung ge- ladung und Tiefentladung. Die meisten Lithium- schaltet. Nachdem dieser aufgeladen ist, wird er akkus sollten nicht über 4,2 V pro Zelle geladen parallel zur Zelle mit der niedrigen Spannung ge- und nicht unter 2,5 V entladen werden, da sonst schaltet und kann diese aufl aden. Dieser Vorgang Aufblähung und Zerstörung drohen. Da die ein- wird so lange wiederholt, bis an beiden Zellen die zel-nen Zellenspannungen eines Akkupacks mit gleiche Spannung anliegt (Bild 1, Seite 142). der Zeit auseinanderdriften, droht ohne Balancer eine Überladung. 1 Quelle: www.linergy.de

KKapap 4 (113-143).indd(113-143).indd 141141 111.07.161.07.16 10:3010:30 5 Rahmen, Lenkung, Federung 145

Dabei können beim Rennrad Vertikalkräfte bis Kettenkraft F 7500 N und beim ungefederten Mountainbike bis k 9000 N über das Hinterrad in den Rahmenhinter- Pedal- bau eingeleitet werden. Auf die weniger belastete kraft Fp Gabel entfallen dabei beim Rennrad bis 3000 N und beim Mountainbike bis 3500 N. Gegenkraft zur Antriebs- kraft info Kraft: Kräfte können einen Körper beschleuni- Gegenkraft zur r r gen, verzögern oder die Form des Körpers ver- Kettenkraft in den 2 1 ändern. Die Einheit der Kraft ist Newton [N]. Kettenstreben 1 N beschleunigt einen Körper der Masse 1 kg Antriebskraft F 5 mit 1 m/s2. Bild 1: Von der Pedalkraft zur Antriebskraft

Die angeführten Werte sind Maximalwerte. Sie Beispiel: resultieren aus Messwerten, die man an statisch Die bis zu 2500 N großen Pedalkräfte beim nachgestellten Belastungen und Versuchen mit Wiege tritt führen zu doppelter Kettenkraft, wenn Radsportlern ermittelt hat und die zu Achsver- die Kette auf einem 42er-Kettenblatt aufliegt, biegungen oder Rahmenschäden geführt haben. da dessen Radius etwa die halbe Kurbellänge aufweist1. In diesem Fall tritt ein Kettenzug von Hohe Belastungen treten beim Radfahren auf, 5000 N auf. Schaltet man auf ein Ritzel mit mehr wenn man in ein tiefes Schlagloch fährt oder ein als 24 Zähnen, rutscht das Hinterrad bei dieser höheres Hindernis überrollt. Die Häufigkeit hoher Antriebskraft durch. Stoßbe lastungen ist gering und erreicht in einem Fahrradleben selbst bei einem Mountainbiker sel- Liegt die Kette auf einem Kettenblatt mit 24 Zäh- ten mehr als 1000 Wiederholungen. nen, steigt die Kettenkraft auf über 8500 N an; das Hinterrad würde aber bereits beim Aufliegen eines 14er-Ritzels durchrutschen. info Stoß: Ein Körper erfährt einen Stoß (Wucht, Neben der Kettenkraft wirkt noch die Antriebs- Kraftstoß, Impuls), wenn auf ihn eine Kraft kraft auf den Rahmen. Während die Antriebskraft über eine ganz bestimmte Zeit einwirkt. Die die Kettenstreben zu gleichen Teilen auf Druck Einheit des Impulses ist Newtonsekunde [Ns]. belastet2, wirkt die Kettenkraft als Zugkraft ins- besondere auf die rechte Kettenstrebe (Bild 2).

Je kleiner der Abstand ö2 des Ritzels vom rechten Ausfallende ist, desto größer ist der Zugkraft - 5.1.2 Horizontalkräfte anteil in der rechten Kettenstrebe. Auch die horizontalen Kräfte werden von den Aus- fallenden ausgehend in den Rahmen übertragen. Linke Ketten- strebenkraft Diese entstehen durch Fahrbahnstöße, Antriebs- und Bremskräfte sowie bei Auffahrunfällen, die in Ketten- der Regel zu plastischen Verformungen von Lauf- kraft rad, Gabel und Rahmen führen. Antriebskraft Rechte Antriebskräfte linkes Ausfall- Ketten- ende streben- Die Pedalkräfte erzeugen während der Tretbe- kraft wegung am Kettenblatt ein ständig schwan- kendes Drehmoment, das über die Kette das ö1 ö2 Antriebskraft Hinterrad antreibt. Über die Haftung des Reifens rechtes Ausfallende auf der Fahrbahn entsteht die Antriebskraft, die Bild 2: Gegenkräfte zur Kettenkraft: gegen die Fahrtrichtung gerichtet ist. Deren Kettenstrebenkräfte rechts und links Gegenkraft – in Bild 1 in die Hinterradachse ver-

legt – wird in den Rahmen eingeleitet und sorgt 1 Teilkreisdurchmesser d0 = 170 mm für die Vorwärtsfahrt. 2 Gilt nur für symmetrisch aufgebaute Hinterräder

KKapap 5 (144-241).indd(144-241).indd 145145 111.07.161.07.16 11:3911:39 5 Rahmen, Lenkung, Federung 169

Bei der Monocoque-Bauweise wird der Rahmen aus zwei oder mehr Bausegmenten hergestellt. Jedes Segment wird in einer eigenen Metallform gefertigt und die Segmente anschließend sichtbar oder unsichtbar miteinander verklebt. Monocoque bietet eine große Vielfalt an Rahmen- formen, sodass die Wünsche von Konstrukteuren und Produktdesignern umgesetzt werden können (Bild 1).

5 Bild 2: Prepregs-Einzelzuschnitte

Bild 1: Monoqoque-Rohrverbindung

Jede Rahmenhöhe benötigt eine eigene teure Form. Auch zusätzliche Formen für die Herstel- lung von Formkernen können notwendig sein. Bild 3: CNC Ultraschall-Cutter für Prepregs (Topcut-Bullmer) Als Open-Mold bezeichnet man eine Form, die der CFK-Produzent dem Auftraggeber zur Verfügung stellt. Solche Rahmen unterscheiden sich durch Nach dem Zuschneiden werden Preformen von die Lackierung und unterschiedliche Gewichte Bausegmenten eines Rahmens hergestellt. Dabei und Steifi gkeitswerte. werden die Zuschnitte über Positivformwerkzeu- Eine Closed-Mold dagegen befi ndet sich im Be- gen aus Holz, Silikon oder Hartschaum drapiert sitz des Auftraggebers. Das hergestellte Rahmen- und geschichtet. Für Rohranbindungen benutzt design ist einmalig, manchmal auch patentrecht- man Winkelschablonen. lich geschützt. Das Aufschichten der Einzellagen des Laminats Monocoque Rahmen, Gabeln und einige Lenker (engl. Ply lay-up) erfolgt nach dem Faserlegeplan, werden aus tiefgefrorenen Kohlefaser-Prepregs dem Ply-Book. In ihm ist die Ausrichtung und hergestellt. Reihenfolge des durchnummerierten Faserma- terials genau vorgegeben. Nach dem Grobzuschnitt der aufgetauten Endlos- Prepregs werden bis zu 550 Faserzuschnitte je Mit Wärme können die leicht klebrigen Prepreg Rahmen angefertigt (Bild 2). Der Zuschnitt dieser Zuschnitte beim Faserlegen fi xiert werden (Bild 1, sogenannten B-Stage Prepregs erfolgt von Hand Seite 170) Dabei muss die Faserorientierung und oder mit computergesteuerten Cuttern und Nes- Materialart genau eingehalten werden, denn ting-Software (Bild 3). schon wenige Grad Abweichung können die Rah- mensteifi gkeit deutlich senken. Die Bereitstellung der großen Zuschnittmengen je Rahmen und Rahmenhöhe und das Einhalten Auch Faserknickungen durch Fehler beim Dra- der vorgegebenen Fasermaterialien und Faser- pieren und jede Form der Verschmutzung des orientierung stellt eine große logistische Heraus- Laminats müssen vermieden werden (siehe auch forderung dar. Kapitel 5.5.5 CFK-Schäden).

KKapap 5 (144-241).indd(144-241).indd 169169 111.07.161.07.16 11:3911:39 5 Rahmen, Lenkung, Federung 199

GSø

GSø Gabelschaft- durchmesser EHO SRø Steuerkopfrohr- durchmesser a) Kø Gabelkonus- durchmesser SRø EHO Einbauhöhe Oben 5 EHU Einbauhöhe Unten b) EHU 2 Kø Bild 3: a) Federkralle b) Spreizkonus (Expander)

Bild 1: Maße Ahead-Steuersatz (Standard) Beim Standard-Steuersatz und semiintegrier- ten Steuersatz werden beide Lagerschalen mit Außerdem gibt es noch diverse Herstellerunter- Montagepaste in das Steuerkopfrohr eingepresst schiede, z. B. nach Cane Creek oder Campagnolo- (Bild 4). Standard. Diese sind untereinander nicht kom- patibel. Mit einer Steuersatzlehre für integrierte Steuersätze (Bild 2) können die Durchmesser und 1 F F Winkelgrade der Lagersitze ermittelt werden .

Bild 4: Einpressen der oberen und unteren Lagerschalen. Bild 2: Steuersatzlehre (FSA) Montage eines Ahead-Steuersatzes Die gewindelosen Ahead-Steuersätze besitzen Lagerschalen einpressen. Der Außendurch- meist einen geschlitzten Zentrierkonus, der die • messer der Lagerschale ist meist 0,1 mm bis obere Lagerschale (Mutterschale) auf dem Gabel- 0,25 mm größer als der Innendurchmesser des schaft zentriert. Die Schale muss auf dem Steuerkopfrohres. Durch die Presspassung hal- Schaftrohr axial leicht verschiebbar sein, damit ten die Lagerschalen sicher im Rahmen. Die das Lagerspiel eingestellt werden kann. Aufl agefl äche des Einpresswerkzeuges darf nur Eine Federkralle oder ein Spreizkonus (Bild 3) auf dem äußeren Ring des Lagers oder auf dem dient als Aufnahme der Steuersatz-Einstellschrau- Innenbund aufl iegen. be. Auf den Lenkervorbau wird eine Kappe aufge- • Kugellager entfernen. steckt, die diese Schraube stützt. Durch Drehen Gabelkonus (Steuersatzboden) auf den Gabel- der Schraube verschieben sich Vorbau und Lager- • schaft aufpressen. Den Gabelkonus mit der schale. Die axiale Fixierung des Steuersatzes er- Lagerlauffl äche in Richtung Vorbau aufsetzen. folgt über die Klemmung des Lenkervorbaus. Geeignetes Aufschlagrohr verwenden. 1 Das neue System S.H.I.S. (Standardized Headset Identification Gabelschaft bei Bedarf kürzen. Der Schaft der System) hilft bei der Zuordnung von Steuersatz-Bauformen. • Internet: http://bicycleheadsets.com neuen Gabel ist oft länger als nötig und daher 2 Dieser ist bei Carbon-Gabelschäften zwingend vorgeschrieben entsprechend zu kürzen.

KKapap 5 (144-241).indd(144-241).indd 199199 111.07.161.07.16 11:3911:39 200 5 Rahmen, Lenkung, Federung

Die Gabelschaftlänge ist individuell zu entschei- • Gabel montieren den und hängt von der Körpergröße und den Herstellerabhängig: Oberes Lager mit Klemm- persönlichen Vorlieben bzw. der Konstitution des ring (Zentrierkonus), Spannring und Steuersatz- Fahrers ab. Mit Spacern (= Distanzringe) kann die Deckel auf den Gabelschaft schieben. gewünschte Vorbauhöhe angepasst werden. Die Formel zur Berechnung lautet (Bild 1): – Spacer aufschieben – Lenkervorbau auf Gabelschaft stecken L = (A1 + A2 + G + H + X ) – 2 mm – Kappe (Spanndeckel) auf Lenkervorbau auf- setzen, Spannschraube einführen Der Abstand g zwischen Vorbau-Oberkante und

X Oberkante Gabelschaft darf nicht größer als 5 mm • • Spacer sein (Bild 3). Ist der Abstand geringer als 1 mm, 5 • H lässt sich der Steuersatz nicht korrekt einstellen. 1 A

L Klemmung Endstück des Ahead-Vorbau Gabelschaftes G g 2

A Lenkerrohr Distanzringe (Spacer) Lenkungslagereinheit Bild 1: Länge Gabelschaft (Steuersatz)

nfo i Steuerkopfrohr Gabelschäfte aus Metall nur mit Metallsäge- blättern kürzen. Keine Rohrabschneider ver- Bild 3: Abstand g Vorbau/Gabelschaft wenden. Für saubere rechtwinklige Schnitte eine Sägeführung verwenden. Mit einer Feile und Dreikantschaber entgraten. Carbonga- • Spannschraube anziehen, bis der Steuersatz belschäfte mit Klebeband umwickeln und mit kein Spiel aufweist. Die Gabel lässt sich ohne einem sehr scharfen Metallsägeblatt kürzen1. Widerstand leicht drehen. • Lenkervorbau gerade ausrichten und Klemm- • Federkralle installieren schrauben anziehen. Niemals eine Federkralle aus Stahl in einen Gabel- Im Gegensatz zu den semiintegrierten Steuer- schaft aus Carbon schlagen, sondern ausschließ- sätzen werden bei vollintegrierten Steuersätzen lich geeignete Einsätze verwenden. Die Feder- keine separaten Lagerschalen in das Steuerkopf- kralle darf beim Einschlagen nicht kippen (Bild 2). rohr eingepresst. Hier sind im Inneren des Steuer- Die Hersteller geben die maximale Einschlagtiefe kopfrohres konische Lagersitze eingearbeitet, in an, z. B. 25 mm. denen spezielle Schulterkugellager sitzen. Beim Einschlagen ist darauf zu achten, dass die Unten sorgt ein aufgepresster Gabelkonus, oben Ausfallenden nicht beschädigt werden. Am bes- ein Zentrierkonus für die Führung (Bild 4). ten ist es, ein bereiftes Vorderrad zu montieren.

Einfetten erleichtert die Montage. Ist die Feder- Schräge für Wälzlager aw kralle fehlerhaft montiert, kann das Steuersatz- Steuerkopfrohr lose eingelegt lager nicht eingestellt werden.

iw aw äußerer Auflagewinkel Gabelkonus iw innerer Auflagewinkel

Bild 4: Prinzip vollintegrierter Steuersatz

1 Parktool vertreibt spezielle Sägeblätter für Carbon: Bild 2: Werkzeuge zum Einschlagen der Federkralle www.parktool.com/product/carbon-saw-blade-csb-1

KKapap 5 (144-241).indd(144-241).indd 200200 111.07.161.07.16 11:3911:39 222 5 Rahmen, Lenkung, Federung

Da die Bohrungen immer geöffnet sind, strömt • Beim Einfedern gelangt das Öl durch eine gro- das Öl, sobald sich der Kolben bewegt. Ein Dämp- ße Öffnung in den oberen Gabelteil. Die Dämp- fer, der allein mit „freien“ Bohrungen arbeitet, fung fällt geringer aus (Bild 2a). kann Dämpferaufgaben nicht optimal erfüllen. • Beim Ausfedern muss das Öl durch eine kleine Eine Verbesserung der Dämpferfunktion bringen Öffnung in den unteren Gabelteil zurückfließen. unterschiedlich große freie Bohrungen, in der Grö- Die Ausfedergeschwindigkeit verringert sich ße einstellbare Kanäle oder Plattenventile (Bild 1). und bewirkt damit eine höhere Dämpfung (b). Die Plattenventile öffnen sich, wenn der Druck von Bild 3 zeigt ein Federdämpferelement mit Einstell- unten den Federdruck übersteigt. Dämpfer mit Plat- möglichkeiten der Zug- und Druckstufe. tenventilen in Kombination mit freien Bohrungen haben nahezu linear verlaufende Kennlinien. Vorspannungs- Ausgleichsbehälter 5 einstellung

Justierung des Nieder- und Hoch- geschwindig- keitsbereichs Öl- kammer

p1 p2

p1 > p2 Trenn- Luft-

Hauptkolben kolben kammer (Schwimm- Bild 1: Grundprinzip: Dämpfung durch Plattenventile kolben) SPV-Kolbenbaugruppe

Einfedern

SPV-Volumen- einstellung

SPV-Druckeinstellung

Kolben- stange mit a) Druckstufendämpfung Zugstufen- Zugstufeneinstellung nadel

Ausfedern Bild 3: Schnittbild „Manitou Swinger“ SPV 1

Federt die Kolbenstange im Federbein ein, wird Öl aus dem Zylinder in den Ausgleichsbehälter gedrückt. Hier befindet sich ein Trennkolben (Schwimm- kolben, IFP = Internal Floating Piston), der von ei- ner Luft- oder Stickstofffüllung unter einen Druck von bis zu 12,5 bar gesetzt wird. Der Druck ver- b) Zugstufendämpfung hindert, dass sich bei schneller Kolbenbewegung Gasblasen im Öl bilden. Bild 2: Öldämpfung bei Druck- und Zugstufendämpfung Im Hauptkolben befindet sich die Zugstufennadel, die eine Bohrung öffnet oder schließt und so den Prinzip: Die Größe dieser Bohrungen ist verstell- Ölfluss reguliert. bar: Je größer sie sind, desto mehr Öl kann fließen und die Dämpfung wird schwächer. 1 SPV = Stable Platform Value

KKapap 5 (144-241).indd(144-241).indd 222222 111.07.161.07.16 11:3911:39 6 Antrieb 259

Ist die Kette zu kurz, kann die Übersetzung „größ- L = Kettenlänge in Zahl der Gelenke (= Bolzenzahl) tes Kettenblatt/größtes Ritzel“ nicht mehr geschal- K a = Kettenstrebenlänge in mm tet werden. Sollte der Schalthebel versehentlich (Mitte Tretlager bis Mitte Hinterachse)

trotzdem in diese Position geraten, versucht die z1 = Zähnezahl größtes Kettenblatt Kette auf das größte Ritzel zu schalten. Es besteht z2 = Zähnezahl größtes Ritzel die Gefahr, dass sich dabei das Schaltwerk und

das Schaltauge verbiegen. z1 z2 Es gibt zwei Wege zur Bestimmung der richtigen Kettenlänge bei Kettenschaltungen: a) Zur praktischen Bestimmung wird die zu mon- tierende Kette als Maßband benutzt. Als An- fang dient das Außenglied mit dem herausste- henden Bolzen. a Beim Abzählen gilt: ein Bolzen = ein Kettengelenk. 6 Man addiert die Zähnezahl des größten Ketten- Bild 2: Berechnung der Kettenlänge blattes und des größten Ritzels und teilt das Ergebnis durch zwei. Dazu addiert man zwei a) für Schaltwerke mit 10-Zahn-Kettenrädchen: Kettenglieder (Bild 1). L = 0,157 a + __1 z + __1 z + 2 K 2 1 2 2 2 × Kettenstrebenlänge b) für Schaltwerke mit 11-Zahn-Kettenrädchen: als Zahl der Kettenbolzen L = 0,157 a + __1 z + __1 z + 4 K 2 1 2 2

z2 Beispiel: für ein Schaltwerk mit 10-Zahn-Kettenrädchen: + 2 Glieder z 1 a = 420 mm, z1 = 44 Zähne, z2 = 28 Zähne L = 0,157 · 420 + ___44 + ___ 28 + 2 = 103,94 K 2 2

Bild 1: Kette als Maßband Die Kette sollte 104 Gelenke haben. Damit sich die Kettenenden verschließen lassen, ist das Er- Beispiel: gebnis auf eine gerade Zahl aufzurunden. Größtes Kettenblatt 44 Zähne, größtes Ritzel 28 Zähne Zur Kontrolle, ob beim Rennrad die Kettenlänge 44 + 28 = 72 : 2 = 36 korrekt ist, legt man die Kette auf das große Ket- 36 + 2 = 38 tenblatt und hinten auf das kleinste Ritzel (Bild 3). Die letzte Zahl merken: 38 Gelenke = 38 Bolzen Jetzt sollen die Spannrolle, Leitrolle und Hinter- achsmitte auf einer Linie liegen und einen rechten Nun wird mit der Kette die Länge der Ketten- Winkel zum Boden einnehmen. strebe (= Länge Unterrohr) abgemessen. Den Anfangsbolzen der Kette hält man an die Mitte Kleinstes Ritzel Größtes Kettenblatt der Hinterradachse und misst bis zur Mitte der Tretlagerachse. Die so ermittelte Länge wird verdoppelt und die vorher gemerkte Zahl der Bolzen addiert. Ergibt sich jetzt an dieser Stelle beim Öffnen Leitrolle ein Innenglied, so wird die Kette hier geöffnet. Ketten- Ergibt sich ein Außenglied, so muss zum Öff- spannrolle 90° nen ein Gelenk weitergezählt werden. Die Kette Rechter Winkel zum Boden ist jetzt in der richtigen Länge gekürzt und hat zum Verschließen zwei ungleiche Enden. Bild 3: Prüfen der Kettenlänge beim Rennrad1 b) Mit einer Formel kann die richtige Kettenlänge berechnet werden (Bild 2). 1 Quelle: Shimano Händlerkatalog 2011

KKapap 6 (242-292).indd(242-292).indd 259259 111.07.161.07.16 10:3310:33 270 6 Antrieb

Nach dem gleichen Schema der Fünfgangnaben Die Achtgang-Nabenschaltung (Bild 2 und Bilder ist die Siebengang-Nabe von SRAM (Bild 1) auf- Seite 271, 272 und 273) von Shimano besteht aus gebaut. Jedoch sind hier drei Sonnenräder mit einem Viergang-Planetengetriebe, das mit einem den dazugehörigen Planetenrädern im Einsatz. weiteren vorgeschalteten Planetengetriebe wahl- Das Getriebe liefert neben einem Normalgang weise untersetzt oder durchgeschaltet werden drei Übersetzungen ins Langsame und drei Über- kann. Ein Schaltservo benützt die Pedalkraft, um setzungen ins Schnelle. das Zurückschalten auch unter Last zu unter- stützen. Bei der Siebengang-Nabenschaltung von Shima- no sind zwei Planetengetriebe mit je zwei Son- Die Gesamtübersetzung von 307 % ergibt sich nenrädern hintereinander geschaltet. Hier entfällt aus den Einzelübersetzungen: der Normalgang, da dieser fast dem vierten Gang entspricht.

Gang 1 2 3 4 5 6 7 8 6 1: 1,9 1,55 1,34 1,18 1 0,82 0,71 0,62

i 0,527 0,644 0,748 0,851 1 1,223 1,419 1,615

Abtrieb Antrieb Nabenhülse Stufenplanet Hohlrad Hohlrad- sperrklinken

Antreiber

Sonne 3 Sonne 1 Planetenträger Kupplungsrad Sonne 2 Schubklotz 2 Schubklotz 1 Hohlachse

Bild 1: Kraftverlauf im kleinen Schnellgang der Siebengang-Nabenschaltung von SRAM

Bild 2: Achtgang-Nabenschaltung von Shimano Nexus Inter 8

KKapap 6 (242-292).indd(242-292).indd 270270 111.07.161.07.16 10:3310:33 6 Antrieb 275

Hohlrad 2 2. Getriebestufe Nadellager

1. Getriebestufe

Planetenachse Sonnenrad 4 Sonnenrad 3 6

Hohlrad 1

Planetenräder 2 Sonnenrad 2

Planetenräder 1 Sonnenrad 1

Planetenträger 1 + 2

Bild 1: 14-Gang-Nabenschaltung. 7 Gänge mit zwei Planetengetrieben in einem Planetenträger

Kupplungsring 3

Kupplungsring 2

Sonne 1 (2)

Sonne 1 (1)

Kupplungsring 1

Kugelrastung

Freilaufring

Klinke 1 (2)

Klinke 2 (1)

Achse Klinke 1 (1)

Kurvenbahn 3

Schaltwelle Klinke 2 (2) Kurvenbahn 1

Bild 2: Schaltfunktion mit Achse, Schaltwelle, Kupplungselementen und Sonnenräder. Ziffern in der Klammer bedeuten Getriebestufe 1 oder 2. Die mittleren Sonnenräder sind nicht dargestellt.

KKapap 6 (242-292).indd(242-292).indd 275275 111.07.161.07.16 10:3310:33 8 Laufräder 323

Speiche Speiche tangential Drehmoment • Jede der 18 Speichen trägt dabei eine Zusatz- M = F · r last von 4000 N : 18 = 222 N. radial M = F · R • Mit 1000 N Ausgangsvorspannung und 222 N 90 ° Zusatzlast ergibt sich für die 18 Zugspeichen eine Zugkraft von 1222 N. Dieser Betrag liegt r Zugkraft F noch um den Faktor 2 unter der Bruchlast von Speichen. • Die restlichen 18 Speichen werden um je- weils 222 N entlastet. Ihre Ausgangsvorspan- M nung geht auf 778 N zurück.

R

+222 N r großer +222 N

effektiver +222 N kleiner effektiver Hebelarm Hebelarm +222 N

+222 N Bild 1: Zugspeiche im Antriebsrad +222 N +222 N 8 +222 N Für Speichenlaufräder mit Nabenbremsen (das 4000 N sind Rücktrittbremsen, Trommelbremsen, Rollen- +222 N bremsen oder Scheibenbremsen) gilt prinzipiell +222 N das gleiche wie für Antriebsräder. Hier wirken +222 N

die Bremskräfte tangential – nur in umgekehrter +222 N +222 N Richtung wie beim Antriebsrad und zwar sowohl +222 N

für das Vorderrad als auch für das Hinterrad. +222 N +222 N Bei einer radialen Einspeichung tendieren die +222 N +222 N Speichen bei jeder tangentialen Belastung sich 90° zum Nabenflansch auszurichten. Durch stetig wechselnde Belastungen können sich die Spei- chennippel lösen oder die Speiche brechen. Bild 2: Antriebsbelastung durch Verdrehkräfte Deshalb sollte man von einer radialen Einspei- chung an scheibengebremsten Laufrädern und 8.2.3 Seitenbelastung an der Antriebsseite des Hinterrades absehen. Im Wiegetritt (Bild 1, Seite 324) wird das Fahrrad schräg gehalten und im Stehen getreten. Dabei 3. Beispiel: wirken Seitenkräfte bis zu 300 N auf das Hinterrad. Beim kräftigen Bergantritt mit einer angenom- Das Hinterrad widersteht diesen Kräften durch menen Pedalkraft von 1000 N wirkt der 170 mm die Schrägstellung seiner Speichen, wobei die lange Kurbelarm als Hebel und verdoppelt die Horizontalkomponente der Speichenzugkraft zum Kraft auf die Kette, wenn diese auf einem 42er Tragen kommt. Kettenblatt (Teilkreisradius 85 mm) aufliegt. Bei Standardnaben und 28-Zoll-Felgen beträgt der Die Kette leitet die Kraft auf ein 22er Ritzel. Da Speichenwinkel etwa 4° auf der Zahnkranzseite dessen Teilkreisradius mit 44,5 mm doppelt so des Hinterrades und 7° auf der Gegenseite. Die groß ist wie der Teilkreisradius der Speichen- Horizontalkomponente errechnet sich nach: löcher einer Niederflansch-Hinterradnabe, wird

die Kraft bei tangentialer Speichenausrichtung Fh = FSp · sin a noch einmal verdoppelt: 2 · 2 · 1000 N = 4000 N Fh r Horizontaler Anteil der Speichenzugkraft Am Speichenlochkreis liegen 4000 N an. Diese in N Kraft wird von den 18 nach links abgewinkelten F r Ausgangsvorspannung in N Speichen aufgenommen (Bild 2). Sp a r Speichenschrägwinkel

KKapap 8 (321-367).indd(321-367).indd 323323 111.07.161.07.16 10:3710:37 512 20 Fachrechnen und physikalisch-technologische Grundlagen

= 20 mm d1 = 16 mm h 1 p1 p2

s1 = 1,6 m

d2 = 24 mm = 20 mm h 2 Bild 2: Luftwiderstand beim Radfahren

Die Formel zur Berechnung des Luftwiderstandes

s2 = 2,1 m lautet: __1 2 FL = · # · A · cw · v Bild 1: Bestimmung der Abrollwiderstandszahl cR 2 Die Luftdichte # wird mit dem mittleren Wert von Der Quotient e/r bezeichnet die Abrollwider- 1,3 kg/m3 eingesetzt, die Geschwindigkeiten in standszahl c . R m/s umgerechnet. ______0,2 mm cR1 = = 0,025 8 mm Ein Rennradfahrer mit einer Stirnfl äche von 0,23 mm 0,38 m2 und einem c -Wert von 0,88 fährt mit c = ______; 0,019 w R2 12 mm einer Geschwindigkeit von 36 km/h. Diese Rechnung kann man auch auf rollende Rä- Bestimmen Sie den Luftwiderstand bei Wind- der übertragen. Daraus folgt, dass mit steigender stille. Radgröße der Abrollwiderstand kleiner wird. F = __1 · # · A · c · v 2 Bei einem Versuch zur Bestimmung des Abroll- L 2 w widerstandes wurden gemessen: Radradius __1 3 2 2 FL = · 1,3 kg/m · 0,38 m · 0,88 · (10 m/s) r = 335 mm, Vorderradlast FV = FN = 300 N, He- 2 belarm e = 5 mm (Bild 2, Seite 511). FL = 21,7 N Bestimmen Sie

a) den Abrollwiderstand Fr und Bestimmen Sie den Luftwiderstand eines auf- 2 b) die Abrollwiderstandszahl cR. recht fahrenden Tourenradfahrers (A = 0,6 m , cw = 1,1), der bei einer Geschwindigkeit von __e ______5 mm 20 km/h einen Gegenwind von 15 km/h über- a) Fr = FN · = 300 N · = 4,5 N r 335 mm windet. __e ______5 mm b) cR = = = 0,015 r 335 mm F = __1 · # · A · c · v 2 L 2 w Luftwiderstand F = __ 1 · 1,3 kg/m3 · 0,6 m2 · 1,1 · (5,6 m/s + 4,2 m/s)2 Der Luftwiderstand wird hervorgerufen durch den L 2 Druckunterschied zwischen der Stirnfläche und FL = 41,2 N der Rückseite des Radfahrers (Bild 2). Steigungswiderstand Der Luftwiderstand ist abhängig von der Luft- dichte #, der wirksamen Stirnfläche A, der Fahr- Beim Befahren einer Steigung muss der Rad- geschwindigkeit v und der Körperform, der durch fahrer mit seiner Antriebskraft FA den Steigungs- widerstand F überwinden (Bild 1, Seite 513). Der den Luftwiderstandsbeiwert cw berücksichtigt St Steigungs widerstand F hängt von dem Gewicht wird. Der cw-Wert wird durch Versuche im Wind- St des Systems F (Rad + Fahrer) und dem Stei- 2200 kanal ermittelt. Für einen aufrecht fahrenden G Radfahrer auf einem Straßenrad nimmt man ei- gungswinkel a ab. Statt des Steigungswinkels kann man auch die Steigung p in % angegeben: nen cw-Wert von 1,1 an. Bei Gegenwind ist zu der Fahrgeschwindigkeit die Windgeschwindigkeit zu ; ______p FSt = m · g · sin a = FG · sin a FG · addieren, bei Rückenwind ist sie zu subtrahieren. 100 %

KKapap 2020 (505-549).indd(505-549).indd 512512 111.07.161.07.16 11:0011:00 524 20 Fachrechnen und physikalisch-technologische Grundlagen

Projektaufgabe Rücktrittbremse

Leertrum beim Bremsen r4 FGH F2 3 r

F1 r 2

ö 2 Bremsen Konus- Brems- F K hebel r 1

ö1 FN FH

F FB

Bild 1: Projekt Rücktrittbremse

Bremsmantel Nabe Bremskonus Wie groß ist das Drehmoment M2 in der Rücktrittnabe?

M2 = FK · r2 = 645 N · 0,039 m = 25 Nm 3 r Über die Zähnezahlen kann das Moment in der Rücktrittnabe auch so ausgerechnet werden: z ___2 ___19 ; M2 = M1 · = 60 Nm · 25 Nm z1 46 Das Fahrradgetriebe ist ein Drehmomentwandler.

4. Der wirksame Radius des Bremskonus be- Bremshebel Ritzel trägt r3 = 30 mm. Bild 2: Schema Rücktrittbremse Wie groß ist die Reibkraft F2 innerhalb der Bremse? Die Reibungszahl zwischen dem Brems- 1. Ein Radfahrer betätigt die Rücktrittbremse konus und dem Bremsmantel solI 1 betra- mit einer Pedalkraft von F = 350 N (Bild 1). 1 gen (100 % Kraftübertragung, siehe Bild 2). Die Länge derTretkurbel beträgt ö1 = 170 mm. Bei kleineren Reibungszahlen wird auch die Wie groß ist das Drehmoment M1 in der Tret- Reibkraft kleiner. lagerwelle? ___M2 ______25 Nm ; F2 = = = 833 N M1 = F1 · ö1 = 350 N · 0,17 m 60 Nm r3 0,03 m Das Bremsmoment muss sich am Rahmen ab- 2. Das Kettenblatt mit z1 = 46 Zähnen hat einen stützen, damit es auf die Straße übertragen Teilkreisradius von r1 = 93 mm. werden kann. Bestimmen Sie die Zugkraft FK in der Kette.

5. Wie groß ist die Abstützkraft FH an der ___M1 ______60 Nm Hinterradgabel, wenn der Festkonus-Brems- FK = = = 645 N r1 0,093 m 2200 hebel eine wirksame Länge von ö = 80 mm aufweist? 3. Die Zähnezahl des Ritzels auf der Hinterrad- nabe beträgt z2 = 19 mit einem Teilkreisradi- M F = ___2 = ______25 Nm ; 313 N us von r2 = 39 mm. H ö2 0,08 m

KKapap 2020 (505-549).indd(505-549).indd 524524 111.07.161.07.16 11:0011:00