Ausgabe 16 · September 2013

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Antriebe und Erfinder

von Christoph Lenz

Die Geschichte des Fahrrads ist eine beispiellose Erfolgsgeschichte. Als Sicherheitsrad 1885 in seiner heutigen Form eingeführt, hat es sich über den Planeten verbreitet und wird bis heute prinzipiell so gebaut. Super, könnte man sagen, hat sich bewährt, lassen wir es dabei. Aber seit es dieses Fahrzeug gibt, tüfteln Erfinder daran, vermeintliche und tatsächliche Unzulänglichkeiten dieses Gefährts zu beseitigen. Über 100 Jahre alte Patentschriften und aktuelle Beiträge im Internet befassen sich mit denselben Verbesserungsvorschlägen. Ich habe hier eine top five-Liste der vorgeschlagenen Verbesserungen erstellt, die das bekannte Konzept (Pedalkurbeln zwischen den Rädern, Antriebskette zum Hinterrad) infrage stellen.

1. Die Arme könnten auch etwas für den Vortrieb tun.
2. Die Kette muss weg.
3. Die Füße sollen bis zum Boden reichen.
4. Ein bequemer Sitz statt des Sattels
5. Pedalieren im Kreis ist nicht optimal.

Die Arme

Immer wieder haben Tüftler Vorrichtungen ersonnen, mit deren Hilfe die Kraft der Arme als zusätzliche Antriebsquelle nutzbar gemacht werden kann. Es gibt amerikanische Patentschriften aus dem späten 19. Jahrhundert, die sich mit dieser Idee befassen. Auch Robert Waldmeier aus der Schweiz hat eine solche Antriebsvorrichtung gebaut, in solider handwerklicher Ausführung (Grafik). Das bringe 10% mehr Geschwindigkeit, sagt Herr Waldmeier. Eine recht saloppe Aussage, die ich hiermit in Zweifel ziehen möchte.

Die Leistung, die ein Radler zum Vortrieb des Fahrrads aufbringen kann, wird von seinem Maximalpuls bestimmt. Mit Maximalpuls kann man nur sehr kurze Zeit fahren (Sprint). Längere Zeit kann man nur mit einer Pulsfrequenz fahren, die deutlich unter der Maximalfrequenz liegt. Will man nun schneller fahren, muss der Körper eine höhere Leistung erbringen. Weil der Luftwiderstand im Quadrat ansteigt, reichen 10% mehr Leistung nicht aus, um 10% schneller zu fahren. Aber selbst wenn, könnte man sich die zusätzlich benötigte Leistung nicht einfach aus den Ärmeln schütteln. Die Herzfrequenz verschiebt sich Richtung Maximalfrequenz, es ist letztendlich ein Sprint, den man genauso gut mit den Beinen bewerkstelligen könnte. Den Trainingseffekt für die Arme will ich nicht in Abrede stellen, ich betrachte ein Fahrrad jedoch als Verkehrsmittel, nicht als Trainingsgerät.

Fazit: Es mag im Behindertenbereich Einsatzbereiche für diese Mechanik geben. Wenn man zwei gesunde Beine hat, bringt es nach meiner Ansicht keine Vorteile.

Die Kette

Die Verfügbarkeit der Rollenkette hat neben der des Kugellagers und der Luftbereifung die Erfolgsgeschichte des Fahrrads erst möglich gemacht. Es wird ihr nicht gedankt. Immer wieder wurden und werden Kardanantriebe für Fahrräder angeboten. Beim Motorrad sehr erfolgreich, haben sie es beim Fahrrad nie über Kleinserien hinausgebracht. Der Grund ist einleuchtend, der Wirkungsgrad ist zu schlecht, auch, weil beim Fahrrad die Antriebskraft zweimal umgelenkt werden muss. Was könnte man noch nehmen? Seile? Das Stringbike aus Ungarn geht diesen Weg. Ich habe noch keines in natura gesehen, mir fällt nur die aufwendige Mechanik ins Auge. Ich selbst habe bei Versuchen mit Seilen als Zugmittel eines Fahrradantriebs keine befriedigenden Ergebnisse erzielt. Dazu später mehr. Bleibt der Zahnriemen. In letzter Zeit häufig angepriesen und diskutiert findet er aber nur bei Falträdern (Strida und Microbike) nennenswerte Verwendung, wobei das Microbike meines Wissens nicht mehr gebaut wird.

Die Firma Gates bietet seit einiger Zeit Zahnriemenantriebe für »normale« Fahrräder an. Das geht natürlich nur mit Nabenschaltung und oder Tretlagerschaltung oder eben als Singlespeed. Wenn man ein Fahrrad soweit modifiziert hat, könnte man auch eine gekapselte Kette verwenden und bräuchte den Rahmen nicht zu zersägen. Deswegen wird diese Technik vermutlich nur eine begrenzte Verbreitung erzielen.

Die Pedale

Warum hat ein Fahrrad Pedale, die an Kurbeln befestigt sind? Es hat sich schlicht so ergeben. Es war und ist einfach herzustellen und war zunächst eine naheliegende Methode, den Fahrer während der Fahrt von der Fahrbahn zu trennen. Dass die Leistungsübertragung Bein – Pedalkurbel nicht optimal ist, ist weithin bekannt und kann im Selbstversuch überprüft werden: Im Sportstudio mit einer Pulsuhr. Auf einer Stepper-Maschine kann man bei gleicher Pulsfrequenz mehr Leistung übertragen als auf einem Trimmrad. Aus diesem Grunde wurden schon früh in der Fahrradgeschichte Versuche unternommen, die Bewegung der Beine möglichst linear zu gestalten. In der Regel wurde dazu die gewohnte Geometrie des Fahrrades belassen und die Pedalkurbeln durch mehr oder weniger lange Hebel ersetzt. Einige Tüftler haben den Drehpunkt des Trethebels über das Hinterrad hinaus versetzt, um eine möglichst gradlinige Bewegung des Pedals zu ermöglichen. Gemeinsam ist diesen Trethebelfahrrädern, das die Tretbewegung etwas an den Gang eines Storches erinnert. Ergonomisch sinnvoller ist der Trethebel beim J-Rad angeordnet, das weiter unten abgebildet ist.

Der Sitz

Die größte Unzulänglichkeit des klassischen Fahrrades ist der Sattel und die Sitzhaltung. Die klassische Fahrradbauweise erlaubt keinen bequemen Sitz. Alle Brooks- und Gelsättel dieser Welt können nur Linderung versprechen, aber das Problem nicht lösen. Um einen bequemen Sitz verwenden zu können, muss man das Gesamtkonzept des Fahrrads verändern. Hier sind die Liegeräder zu erwähnen, die in jüngster Zeit (wieder) einen gewissen Zuspruch finden. Es gibt sie vielen verschiedenen Variationen, als Langlieger oder Kurzlieger. Der Sitz sieht auf jeden Fall bequem aus. Ob die Sitzhaltung bequem ist, wird von vielen bezweifelt, Auch die Tatsachen, dass die Füße weit vom Boden entfernt sind, schreckt viele Leute ab. Einer größeren Verbreitung stehen auch die schlechte Übersicht, die sperrigen Abmessungen und (sorry, Liegeradenthusiasten) die wenig ansprechende Optik dieser Vehikel im Wege.

Erwähnenswert ist in diesem Zusammenhang das Jaray-Fahrrad, auch J-Rad genannt. Es hat einen bequemen Sitz, man kann beim Anhalten sitzen bleiben, die Pedalkurbeln wurden durch Hebel ersetzt und selbst auf die »böse« Kette wurde verzichtet. Vom J-Rad wurden in den frühen zwanziger Jahren des 20sten Jahrhunderts etwa 2000 Stück verkauft, vor allem in den Niederlanden. Die Produktion wurde aber nach kurzer Zeit wegen Regressansprüchen, die aus der Verwendung von minderwertigem Rahmenrohr resultierten, eingestellt. Ein Umstand also, der mit der Konstruktion selbst gar nichts zu tun hatte.

Das Outing

Manche hatten beim Lesen des Artikels vermutlich schon einen Anfangsverdacht, den ich hier nun bestätigen will. Auch ich bin einer von diesen tüftelnden Erfindern, die beseelt sind von der Mission, das ideale Fahrrad zu bauen.

Wie sieht denn ein ideales Fahrrad eigentlich aus? Für meinen Geschmack muss es einen bequemen Sitz und eine bequeme Sitzposition haben. Die Füße sollen nicht weiter von der Fahrbahn entfernt sein als nötig. Gute Fahreigenschaften und kompakte Abmessungen soll es natürlich auch haben. Will man alle diese Anforderungen erfüllen, wird schnell klar, dass die Füße nicht hinter, vor oder über dem Vorderrad platziert werden können, sondern nur zu dessen Seiten. Wie wär’s denn mit Hecklenkung?

Das Problem dieser optisch durchaus ansprechenden Konstruktion von Mohsen Saleh sind nicht die schlechten Fahreigenschaften. Es sind die fehlenden Fahreigenschaften. Das Rad ist schlicht unfahrbar. Rückwärts würde es wahrscheinlich eher funktionieren. Ich habe selbst ein mal ein schlichtes Versuchsvehikel gezimmert und versucht, die nahe gelegene Eisenbahnüberführung hinunter zu rollen. Einradfahren ist deutlich einfacher. War also nix.

Die Lenkung muss vorne sein. Pedalkurbeln einfach an die Seiten des gelenkten Vorderrads. Ist nicht wirklich neu, hat schon das Micheaux Fahrrad gehabt. Mit interner Übersetzung gab es 1950 eine Patentanmeldung, mit externer (Pedalachse zentrisch auf der Vorderradachse, Kette von den Pedalen zu einer zweiten Welle über dem Vorderrad, von dort aus über eine zweite Kette zum Freilauf auf der Vorderradnabe) kursieren etliche Videos auf Youtube. Aber Pedalkurbeln sind ja sowieso nicht die ideale Lösung. Wie wäre es also, wenn man die Pedale einfach entlang der Vordergabel führt? Und damit das Vorderrad antreibt, was ja naheliegend ist.

Das Bild zeigt eine sehr frühe Version vom MAYNOOTHBIKE. Die Verwendung eines Seiles war verlockend, weil ein Seil anders als eine Kette in verschiedene Ebenen umgelenkt werden kann. Es hat funktioniert, aber nicht gut genug. Bis zu acht Zentimeter des Pedalweges wurden benötigt, um Zug auf das Seil zu bringen. Ein formschlüssiges Zugmittel wie eine Rollenkette zieht quasi sofort.

Wie kann man die Pedale führen? Neben dem Seil zeigt das Bild oben auch eine Pedalführung, die sich nicht bewährt hat. Ohne Belastung laufen diese Gleitschlitten leicht auf der Schiene, unter Last nicht leicht genug. Abhilfe brachten kugelgelagerte Linearschienen und die Rückkehr zur Kette.

Dieser Prototyp fuhr so gut, dass ich mich auf eine 90-km-Tagestour wagte – die verlief pannenfrei. Am nächsten Morgen jedoch, beim Brötchenholen, fiel das linke Linearlager auseinander. Ein Teil, was es nicht an jeder Ecke zu kaufen gibt und das auch nicht zu Schnäppchenpreisen gehandelt wird. Außerdem sind Linearlager nicht unbedingt für den Outdooreinsatz gemacht. Die Kettenführung wie auf dem Bild oben warf auch ein Problem auf: Es war kein Platz für eine Vorderbremse. In Irland und Großbritannien ist das aber kein gesetzliches Problem, da zwei Bremsen an Fahrrädern erst ab einer Sitzhöhe von 625 mm vorgeschrieben sind.

Die aktuellen Versionen haben kugelgelagerte Schlitten in der Vordergabel, die die Pedale führen und natürlich zwei Bremsen. Fährt sich einfach entspannter.

Das Funktionsprinzip

Das Vorderrad hat auf beiden Seiten ein Freilaufritzel. Die Pedale sind auf Schlitten befestigt, die sich in den Gabelholmen auf und ab bewegen können. Am oberen Ende der Schlitten ist jeweils ein Kettensegment befestigt, das über ein Umlenkritzel (im Bild oben etwa auf Höhe der Lampe) mit dem Freilaufritzel der jeweiligen Seite in Eingriff steht. Die Kettensegmente beider Seiten sind mit einem Zugseil verbunden, welches über eine Umlenkrolle (im Bild über der Lampe) geführt wird. Beim Heruntertreten eines Pedals wird über das Freilaufritzel der jeweiligen Seite der Vortrieb erzeugt, wobei gleichzeitig das gegenüberliegende Pedal um die gleiche Wegstrecke angehoben wird. Dieser Vorgang kann jederzeit umgekehrt werden. Man hat also einen variablen Hub beim treten.

Der Bewegungsablauf

Weil wir von Kindesbeinen an die Kurbelpedale des Fahrrads gewöhnt sind, fühlt sich das geradlinige Heruntertreten der Pedale zunächst ungewohnt an. Nach einer kurzen Lernphase erscheint es jedoch die natürlichere Bewegung zu sein. Um einen Eindruck davon zu bekommen, setze man sich auf einen Stuhl (wenn man nicht schon auf einem sitzt) und macht abwechselnd Radfahrbewegungen (Tretkurbel) und gerade Tretbewegungen nach schräg unten. Was erscheint effektiver?

Man kann sich den Bewegungsablauf beim Radfahren auch verdeutlichen, in dem man sich den Zahnkranz auf der Pedalkurbel als Zifferblatt einer Uhr vorstellt. Um 12 Uhr liegt noch kein Hebel an, um 6 Uhr ist die Hebelwirkung wieder null. Gearbeitet wird also zwischen eins und fünf. Statt jetzt auf direktem Weg wieder zur Arbeit zu gehen, macht der Fuß einen Umweg über 9 Uhr Das ist etwa anderthalb mal so weit wie der direkte Weg zum Ausgangspunkt. Wieder bei 12 Uhr angekommen wäre es für den Fuß eine Überlegung wert, ob er nicht seine Arbeit auf direktem Wege bei gleichbleibendem optimalen Hebel verrichtet und sich dann auf kürzestem Weg zum Ausgangspunkt zurück begibt. So wie beim MAYNOOTHBIKE. Dadurch, dass der Tretvorgang jederzeit umgekehrt werden kann, entstehen sozusagen flexible Arbeitszeiten für jeden Fuß.

Die Hauptkraft für den Vortrieb wird ähnlich wie beim Treppensteigen vom Quadrizeps Femoris aufgebracht, dem stärksten Muskel des menschlichen Körpers.

Hat der Antrieb Einfluss auf die Lenkung?

Natürlich hat der Antrieb einen Einfluss auf die Lenkung. Beim normalen Fahrrad haben das Treten der Pedale und die damit verbundene Gewichtsverlagerung auch einen Einfluss auf die Lenkung. Deswegen muss man Radfahren auch erlernen. Kinder, die gerade Radfahren lernen und Leute, die zum ersten mal ein MAYNOOTHBIKE fahren, geben ein ähnliches Bild ab. Doch nach kurzer Zeit fährt das MAYNOOTHBIKE dorthin, wo man möchte. Die Frage müsste lauten, hat der Antrieb störende Einflüsse auf die Lenkung. Hat er nicht, sagt der Erfinder. Erfinder sind voreingenommen wie Mütter, die ihre eigenen Babys auch immer für die schönsten halten. Dem halte ich entgegen. Ich bin mit diesem Fahrradtyp bis jetzt mehr als 2000 km weit gefahren und täglich kommen etwa 20 bis 30 hinzu. Da ich kein Masochist bin, muss es also irgendwie Spaß machen. Zügig Vorankommen und bequem Sitzen macht Spaß.

Was passiert in Kurven?

Häufig werde ich gefragt, ob die Beine nicht in Kurven am Vorderrad streifen. Im normalen Fahrbetrieb sind die Lenkeinschläge sehr gering. Geübte Fahrer (ich selbst zum Beispiel) können auch sehr enge Kurven fahren. Zum geübt Sein gehört dazu, dass das selbst dann nicht passiert. Ich werde demnächst ein Video machen, das die Fahrdynamik darstellt (evtl. Hütchenparkur).

Der Lenkkopfwinkel der aktuellen Prototypen beträgt etwa 51 Grad. Die ersten Prototypen hatten etwa 57 Grad. Normalerweise bestimmen der Lenkkopfwinkel und der Nachlauf Handlichkeit und Geradeauslauf. Beim MAYNOOTHBIKE kommt hinzu, dass der Lenkkopfwinkel gleichzeitig den Winkel bestimmt, in dem die Pedale getreten werden. Ich bin dieses Problem eher mit praktischen Versuchen als mit wissenschaftlichen Berechnungen angegangen. Durch die kleinen Räder und den durch die Antriebsritzel bedingten Abstand von Gabelmitte zur Vorderradachse hat das Maynoothbike einen relativ geringen Nachlauf. Nur bei sehr geringen Geschwindigkeiten und großem Lenkeinschlag tritt ein leichter »Choppereffekt« auf.

Wie ist die Haltbarkeit der Linearführungen?

Das MAYNOOTHBIKE steht noch am Anfang seiner Entwicklung. Ich habe gerade Prototyp AA 007 fertiggestellt. Ich bin bis jetzt etwa 2000 km mit den verschiedenen Prototypen gefahren, davon etwa 1000 mit dem grünen Exemplar. Mit erstaunlich wenigen Pannen. Das gelbe Bike AA007 ist mit einem Kilometerzähler versehen. Ich werde auf der Website eventuelle technische Probleme mit dem jeweiligen Kilometerstand dokumentieren.

Die artgerechte Umgebung für ein MAYNOOTHBIKE

Das MAYNOOTHBIKE braucht viel Auslauf und liebt die weiten Ebenen, weil es (noch) keine Gangschaltung hat. In der Stadt ist es auch sehr angenehm zu fahren, weil man beim Ampelstopp sitzen bleiben kann. Aber um sich wirklich ein Bild zu machen, ist es am besten das MAYNOOTHBIKE einmal selbst auszuprobieren. Das war bisher ein Problem für Leute, die größer als eins siebzig sind. Vor Kurzem habe ich ein Bike mit verstellbarem Sitz und höherem Vorbau (das Gelbe) fertiggestellt. Auf der Website maynoothbike.com kann man Kommentare von Probefahrern lesen.