13.03.2016
WAS ICH SCHON IMMER ÜBER DEN WIRKUNGSGRAD WISSEN WOLLTE, MICH ABER NIE ZU FRAGEN TRAUTE!
Überall, wo Leistung übertragen wird, entsteht in mechanischen Systemen Reibung. Diese geht in der Regel als Wärme verloren und wird als Verlust bezeichnet.
Man muss jedoch bei der Betrachtung von Getrieben unterscheiden zwischen leistungsabhängigen und leistungsunabhängigen Verlusten. Leistungsunabhängig ist z.B. die Reibung in den Dichtungen. Ob man ein Fahrrad schiebt, den Berg hinunterrast oder im Wiegetritt den Berg hinauf fährt, die Reibkraft in den Dichtungen bleibt konstant. Diese dadurch entstehenden Verluste sind, abhängig vom Zustand der Dichtflächen, sehr klein und betragen je nach Geschwindigkeit ein bis drei Watt. Die Reibkraft reicht jedoch aus, um ein leer drehendes Hinterrad nach wenigen Umdrehungen zum Stehen zu bringen oder die Kurbeln beim Schieben des Rades mitdrehen zu lassen.
Ganz anders ist es um die leistungsabhängigen Verluste bestellt. Beim Fahren entsteht unter der Last des Antriebes Reibung an den Zahnflanken und in den Lagern der Zahnräder. Diese Reibung nimmt je nach Konstruktion einen bestimmten Prozentwert der übertragenen Leistung an. Beträgt der Wirkungsgrad eines Getriebes z.B. 95%, heißt das, dass 5% der übertragenen Leistung durch Reibung verloren geht. Fährt der Fahrer z.B. mit 100 Watt Antriebsleistung, so wird das Hinterrad nur noch mit 95 Watt angetrieben, da ja 5 Watt durch Reibung verloren gehen. Erhöht der Fahrer seine Leistung auf z.B. 300 Watt, so erhöhen sich automatisch die Verluste auf 15 Watt, da ja 5% von 300 Watt nun mal 15 Watt sind.
Überkommt es den Fahrer, und er investiert in einen kräftigen blutdruckfördernden Sprint 1000 Watt, gehen jetzt 50 Watt durch Reibung verloren. An diesem Beispiel wird deutlich, wie wichtig ein guter Getriebewirkungsgrad ist. Je nach Anstrengung des Fahrers entstehen im Beispiel 5 Watt, 15 Watt oder 50 Watt Verluste. Vernachlässigbar klein sind dagegen die Verluste durch die Dichtungen. Durch besondere konstruktive Maßnahmen, wie große Zähnezahlen und Nadellagerungen der Planetenräder, Ölschmierung, extrem stabiler (verwindungssteifer) Auslegung aller Getriebeteile wurde bei der SPEEDHUB 500/14 ein Wirkungsgrad von 96% (Gänge 1-7) bis 98% (Gänge 8-14) erreicht.
Dieser Wirkungsgrad entspricht dem einer Kettenschaltung. Herkömmliche 7-Gang Nabenschaltungen erreichen einen Wirkungsgrad von ca. 90% (1. Gang) bis 98% (direkter Gang). Betrachten wir wieder unseren Testfahrer, der jetzt z.B. mit 200 Watt eine Steigung erklimmt. Bei Verwendung der SPEEDHUB 500/14 oder einer Kettenschaltung verliert der Fahrer bei 96% Getriebewirkungsgrad im vierten Gang (das entspricht dem ersten Gang einer herkömmlichen Sieben-Gang Nabenschaltung) jetzt 8 Watt. Der mit gleicher Leistung daneben herradelnde Sieben-Gang Fahrer verheizt jetzt 20 Watt. Berechnet man dem SPEEDHUB 500/14-Fahrer noch 2 Watt Minus wegen der schleifenden Dichtungen, so stehen immer noch 10 Watt gegen 20 Watt. Zusammenfassend ergibt sich: Leistungsunabhängige Verluste wie das Reiben der Dichtungen wirken wie ganz leicht schleifende Bremsbeläge. Diese bringen zwar ein leer drehendes Hinterrad schnell zum Stehen, machen sich aber während der Fahrt so gut wie nicht bemerkbar. Sie lassen sich leicht am Fahrradmontageständer kontrollieren.
Leistungsabhängige Verluste dagegen bedeuten, dass ein bestimmter Prozentsatz der übertragenen Leistung verloren geht. Das lässt sich nicht am Fahrradmontageständer kontrollieren, sondern nur über aufwendige Prüfstandsversuche bzw. durch Messfahrten ermitteln. Bei der SPEEDHUB 500/14 ist noch ein besonderer Umstand zu berücksichtigen: Beim Rückwärtsdrehen der Pedale läuft der Nabenantrieb, also das Ritzel rückwärts und kehrt die Planetengetriebefunktion um.
Die bei Vorwärtsfahrt immer auf der Achse feststehenden Sonnenräder drehen dann in einem Klinkenfreilauf, was mit erhöhter Reibung verbunden ist. Dreht das Hinterrad im Freilauf, was ja der normalen Betriebssituation entspricht, bleiben die Sonnenräder stehen, und es entsteht keine erhöhte Reibung. Anders als bei einer Kettenschaltung entspricht also das Rückwärtskurbeln bei einem Planetenschaltgetriebe nicht der Situation des freilaufenden Hinterrades mit stehenden Kurbeln. Doch grau ist alle Theorie und nun zurück zur Praxis.
Bei den vielen Einsätzen der SPEEDHUB 500/14 speziell im MTB Marathon Rennen zeigte sich, dass die Fahrer gleiche Zeiten wie mit der Kettenschaltung fuhren oder sogar schneller waren. Die gleiche Zeit ergibt sich logisch, da sich die Verluste von Kettenschaltung und SPEEDHUB 500/14 kaum unterscheiden. Die schnelleren Zeiten resultieren aus dem Umstand, dass die SPEEDHUB 500/14-Fahrer keinen Stress mit dem Schalten haben und schneller und häufiger Schalten können, also schneller und häufiger im richtigen Gang sind. Neben dem Getriebewirkungsgrad ist es genauso wichtig, den Wirkungsgrad des Antriebsmotors Mensch zu betrachten.
Jeder Radler kennt das: Fährt man im richtigen Gang, d.h. Trittfrequenz und Pedaldruck sind im persönlich optimalen Bereich, geht es zügig vorwärts, und die Laune bleibt heiter. Ca. 25% der Frühstückskalorien verwandeln die Muskeln jetzt in Vortrieb. Stimmt der Gang jedoch nicht richtig, so muss der Radler den Pedaldruck (das gibt Blei in den Beinen, da der Stoffwechsel nicht mehr optimal funktioniert) oder die Trittfrequenz erhöhen (das ergibt erhöhte Pulswerte, da der Kreislauf jetzt aus dem grünen Bereich läuft).
Der Wirkungsgrad der Muskelmaschine Mensch sinkt unter Umständen auf unter 10%. Produziert wird viel Schweiß und wenig Vortrieb. Die Moral des Radlers sinkt. Neben dem guten Wirkungsgrad der mechanischen Antriebsteile ist es also ebenso wichtig, die Übersetzung den Fahrwiderständen rechtzeitig anzupassen, also schnell und viel zu schalten. Nur so wird der Gesamtwirkungsgrad Frühstück - Mensch - Fahrrad - Geschwindigkeit um den Faktor Erfolg und Spaß bereichert.
Dafür ist die SPEEDHUB 500/14 konstruiert.
