• Lotz Carbon Komfort durch Carbon?

    Geschrieben von: Julian Lotz
    Donnerstag, den 20. Dezember 2012 um 12:12 Uhr

    Hallo liebe Leser!

    Nach einer langen, langen Pause gibt es endlich wieder mal einen Beitrag. Kurz ein paar Worte, warum so lange Pause war: Das Studium stresste, ich bin seit September Praktikant bei Karl Mayer Composite Parts (Link). Das Praktikum läuft noch bis 31.01.2013 und ist eine der letzten Handlungen im Studium vor der Masterthesis. Dann habe ich mich nebenbei noch um meine Beschäftigung nach dem Studium gekümmert. Ja, und so kommt es dann, das ziemlich wenig Zeit zum schreiben, und noch weniger Zeit zum Basteln zur Verfügung stand. Aber gut.

    Worum geht es heute?

    Neulich fand im Tour-Forum mal wieder eine „alte“ Diskussion statt (Link). Die Frage war: Sind Rahmen aus Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV), also i.d.R. Carbon, komfortabler als Metallrahmen?

    Um hier mal zu einer Aussage zu kommen, habe ich ein bsischen gegrübelt und gerechnet, und möchte die Ergebnisse hier heute vorstellen. Außerdem mag ich kurz mal erklären, was es mit den Begriffen eigentlich auf sich hat, mit denen alle immer hantieren, die aber sehr oft falsch gebraucht werden. Deswegen erst mal zu den Begriffen:

    – Federung, Steifigkeit: Wie gut ein Rad bzw. ein Rahmen federt, hängt von seiner Steifigkeit ab. Klar. Aber auch hier besteht oft Verwirrung. Sicher kennen viele von Euch die Aussage „Mein Alurahmen ist bretthart, mein Stahlrahmen (alternativ: Carbonrahmen, Titanrahmen) ist viel komfortabler!“ (Alternativ auch gerne in Bezug auf die Lenkkopf- oder Tretlagersteifigkeit bezogen, nur das hier Carbon in der Wahrnehmung meist sehr gut wegkommt…). Jetzt hat sich daraus leider eine Denkweise abgeleitet und verselbstständigt, die Steifigkeit nur noch in Bezug zum Material setzt. Alurahmen sind generell steif, Stahlrahmen generell eher weich, usw., also muss ja Alu steif sein, Stahl weich und so weiter. Jetzt sind die Materialien natürlich unterschiedlich steif. Das drückt man durch den sogenannten E-Modul aus, das ist eine Größe, die beschreibt, wie viel Kraft man benötigt, um das Material um einen gewissen Betrag zu dehnen. Wer sich da ein bisschen mit befassen möchte, lese hier nach: Link. Die unterschiedlichen Materialien sind bezüglich ihrer Steifigkeit übrigens in etwa folgendermaßen einzuordnen:

    e-moduln

     

    Bei Carbon ist zu sagen, dass er E-Modul natürlich Richtungsabhängig ist, die angegeben Werte habe ich für Laminataufbauten angegeben, die in einem Fahrradrahmen üblich sind (z.B. im Unterrohr), mit Fasern, die bei Rahmen üblich sind, und in Längsrichtung des Rohres.

    Dann gibt es noch die Schubsteifigkeiten, die sind weniger wichtig, aber hier schneiden die Faserverbunde i.d.R. (jedenfalls bei Laminaten, die man so für Fahrradrahmen einsetzt) schlechter ab als Metalle. Die Schubsteifigkeit ist für den Komfort nur bedingt nutzbar, hat aber Einfluss auf die Torsionssteifigkeit eines Rahmens. Die Verteilt sich in etwa so:

    g-moduln

     

    Jetzt hat das aber noch nichts mit der Bauteilsteifigkeit zu tun, und die interessiert uns als Radfahrer wenn wir z.B. einen Rahmen beurteilen wollen. Die Bauteilsteifigkeit setzt sich zusammen aus der Materialsteifigkeit, also E- und G-Moduln, sowie der Bauteilgeometrie. Logisch: Ein Seil mit Querschnitt 20 mm² ist auch doppelt so steif wie ein Seil gleichen Materials mit Querschnitt 10 mm². Jetzt kommt bei der Komfortgeschichte auch Biegung dazu, da hängt es nicht wirklich von der Querschnittsfläche ab, sondern auch von der Querschnittsform. Grundsätzlich gilt da aber, je voluminöser das Profil, desto steifer, dabei kann auch die Wanddicke sinken.

    Wenn nun etwas „gut federt“, dann meint man damit, dass die Bauteilsteifigkeit niedrig ist. Ob das nun von einem wenig steifen Werkstoff oder einer wenig steifen Konstruktion kommt, ist dabei erstmal gar nicht wichtig.

    Oft werden übrigens Steifigkeit und Festigkeit durcheinander geworfen. Die haben aber nichts miteinander zu tun – Festigkeit sagt nur, wie hoch man ein Maerial beanspruchen kann, bis es versagt. Ein Material kann sehr steif sein, aber eine niedrige Festigkeit haben (sehr einfacher Stahl wie St235 oder so etwas), oder bei niedriger Steifigkeit eine hohe Festigkeit haben (hochfestes Aluminium z.B., bei 1/3 der Steifigkeit durchaus das Doppelte der Festigkeit zu St235).

    – Dämpfung: Ein unglaublich gern gebrauchtes Wort in Bezug auf den Komfort ist die Dämpfung. Aber ich glaube, kaum ein anderer Begriff wird bezüglich Fahrrädern so oft falsch verwendet. Dämpfung sagt aus, wie viel (Bewegungs-)Energie eine sich bewegende Struktur in Wärme umwandelt. Was man häufig hört, ist die Aussage „Das Rad dämpft die Bodenwellen unglaublich gut weg!“. Das ist – leider – völliger Unfug. Das Rad „schluckt“ die Unebenheiten weg, das ist aber der Verdienst einer guten Federung, also einer niedrigen Steifigkeit. Wie viel Energie dabei dissipiert wird, ist für das Fahrempfinden beim überfahren der Bodenwelle erstmal gar nicht wichtig. Dämpfung sorgt nur dafür, dass man nach überfahren der Bodenwelle nicht ewig weiterwippt.

    Dazu hier eine kleine Grafik:

    ged-unged

    Die beiden Systeme stellen einen Fahrer auf einem Fahrrad dar. Das Fahrrad ist für beide Grafiken gleich nachgiebig, der Fahrer gleich schwer, die Anregung ist in beiden Fällen eine gleich große Unebenheit am Boden. Nur die Dämpfung unterscheidet sich. Im oberen Graph liegt eine sehr niedrige, „schlechte“ Dämpfung vor, im unteren eine sehr hohe „gute“ Dämpfung. Dargestellt in den Graphen ist die Auslenkung x2, um den es den Fahrer im Sattel bewegt (in der Vertikalen), sowie die Zeit in Sekunden in der Horizontalen. Die Unebenheit wird nach einer Sekunde passiert. Für die technisch versierteren: Fußpunkterregung, Fahrrad masselos, Fahrer 75kg, Sprungeingang mit 0,01 m Wegerregung, Steifigkeit 350 N/12 mm, Dämpfung 30 bzw. 300 Ns/m, maximale negative Beschleunigung des Fahrers 9,81 m/s².

    Was kann man aus diesen Diagrammen schließen?

    Das gut gedämpfte Fahrrad lässt den Fahrer schon kurz nach der Bodenwelle nichts mehr davon spüren, während der Fahrer auf dem schlecht gedämpften Fahrrad noch eine ganze Weile ein Wippen verspürt. Außerdem hebt es den Fahrer nur etwa 7mm aus dem Sattel, während das schlecht gedämpfte Fahrrad den Fahrer um etwa 10mm aus dem Sattel hebt. Viel Dämpfung ist in diesem Fall also eine tolle Sache. Es gibt aber noch etwas, was hier auch toll ist: eine weiche Federung. Das zeigt die nächste Grafik. Aufgetragen sind wieder die selben Größen, ich habe nur etwas an den Parametern gedreht, damit man es besser sieht. Das weich gefederte Modell hat (bei gleicher Dämpfung von 30 Ns/m) eine um 100% größere Nachgiebigkeit, es sind bei 350 N schon 24mm Absenkung.

    ged-unged-weich

    Schlussfolgerung? Federung macht da bei der einzelnen Bodenwelle und in dem Bereich, in dem man sich bei Rennrädern bewegt, eigentlich gar nix aus. Nur die Frequenz, in der man nachwippt, die ändert sich natürlich mit der Steifigkeit. Aber eben nicht in einem Maße, dass man Schwingungsisolation schaffen könnte, oder ein merklich anderes Verhalten hätte.

     

    Wie sieht es jetzt aber aus, wenn wir nicht über einen kleinen Fahrbahnabsatz fahren, sondern über eine Straße mit vielen, zufällig verteilten Unebenheiten? Auch das kann man simulieren, als Eingangssignal kommt jetzt statt einem Sprung ein zufälliges Rauschen, etwas geglättet mit einem Gaußfilter (man rollt ja nicht eckig über ein Hindernis, das Rad ist ja Rund, man wird sanfter steigen bzw. fallen) und mit 50 Stufen pro Sekunde. Man fährt also z.B. bei 30 km/h über eine Straße mit 6 Unebenheiten pro Meter. In einer Sekunde Fahrtweg legt man aslo folgendes Höhenprofil zurück: (Unebenheiten auf der y-Achse in m, Achtung, Skalierung auf 10E-3!).

    Damit ergibt sich für die beiden unterschiedlich hart gefederten Räder folgendes Bild für den Fahrer:

    fahrbahn

    fahrbahn_hart_weich

    Die weiche Federung schluckt die Bodenunebenheiten – nicht – besser. Woran liegt das? Naja, um Schwingungsisolierend zu wirken, muss die Federung so weich sein, dass die Freuqenz, mit der das System zu Schwingungen angeregt wird, mindestes 1,5 mal so hoch ist, wie die Eigenfrequenz des Systems (die Eigenfrequenz ist die Frequenz, in der der Fahrer auf und ab wippt, wenn er nur über einen einzelnen Absatz fährt). Und das ist hier nicht der Fall. Und wenn man unterhalb dieser Schwelle bleibt (und das tut man mit Rennrädern), dann schaukelt sich das weichere System auf, es wirkt Schwingungsverstärken. Jedenfalls was die Amplitude angeht, also wie weit man hoch und runter wippt. Und jetzt kommt gleich die schlechte Nachricht hinterher: So weich kann man ein Rennrad konventioneller Bauweise gar nicht machen, dass es auf einer schlechten Straße zu einer guten Schwingungsisolation kommt, ohne, dass das Fahrverhalten sträflich schwammig würde. Aber immerhin: Die Kräfte, die auf den Fahrer wirken (das ist im Diagramm unter „g“ aufgetragen, bezogen auf die Erdbeschleunigung), die sind mit der weichen Federung etwas geringer. Man bewegt sich auf dem weichen Rad also mehr auf und ab, aber es fühlt sich nicht so schlimm an. Immerhin.

    Und weiter geht es mit schlechten Nachrichten: Die Dämpfung bringt auch nur dann etwas, wenn die einzelnen Stöße zeitlich lange genug auseinander liegen, ihre Frequenz also recht niedrig ist. Dann hat man zwischen den Unebenheiten nicht so viel Wippen. Bei sehr hohen Frequenzen (sofern man nicht gerade eine Eigenfrequenz trifft) neigt das Rad mit hoher Dämpfung zu stärkeren Vibrationen. Das passiert meistens beim auf der Straße herumfahren und sieht dann so aus:

    fahrbahn_daempfung

    Man sieht also, dass man mit hoher Dämpfung geringere Schwingungsbreiten hat, also weniger stark auf und ab wippt. Das liegt an den noch relativ niedrigen Frequenzen (bezogen auf die Eigenfrequenz), in der die Unebenheiten kommen. Das wäre ja schon mal positiv. Aber leider kommt es durch die hohe Dämpfung zu relativ hohen Kräften, die auf den Fahrer wirken, die sind bei etwa dreifacher Dämpfung gerne mal 20-30% höher, als bei niedriger Dämpfung, wie man sieht.

     

    Aber, und das ist die eigentlich interessante Aussage: Bei den Simulationen musste ich generell eine Dämpfung einstellen, die weit höher ist, als das, was ein Fahrradrahmen an Materialdämpfung bieten kann, um realistische Schwingungen zu bekommen. Das lässt folgenden Schluss zu: Ein Großteil der Materialdämpfung findet nicht im Rahmen statt (mit 0,1% Verlust bei Metall und 1% bei Faser-Kunststoff-Verbunden ist das sowieso nicht viel), sondern mutmaßlich deutlich stärker in den Reifen (Elastomere haben nicht nur eine niedrige Steifigkeit, sondern auch eine sehr hohe Dämpfung), sowie, dominierend, in dem dicken Dämpfer, der oben auf dem Sattel sitzt. Der Mensch ist nicht nur durch seine hohe Masse erheblich für das Schwingungsverhalten verantwortlich, er dissipiert (wandelt in Wärme um) mutmaßlich auch fast die komplette Energie, die durch Vertikalbewegungen, anfällt. Der Mensch macht’s auch beim Komfort.

    Welche Empfehlen kann/sollte man jetzt also bezüglich des Fahrradrahmens geben?

    • Da die Dämpfung des Rahmens im Gesamtsystem völlig untergeht, können hier mit Carbonrahmen allenfalls geringfügige Verbesserungen erzielt werden. Die wirken dann auch nur so richtig bei glatter Straße mit einzelnen Absätzen. Den Einfluss der Materialdämpfung im Rahmen auf das Gesamtsystem kann man jedenfalls mit Sicherheit nicht spüren, so klein ist er.
    • Der Rahmen ist auch bezüglich der Steifigkeit eine der steifsten Komponeten im System. Reifen, Sitzpolster, Fettpolster am Hintern und vielleicht noch je nach Ausführung die Laufräder und die Sattelstütze haben hier mehr Einfluss. Schwingungsisolation durch ein vertikal weiches Rad greift aber leider auch nur richtig bei hochfrequenten Vibrationen, nicht bei welliger Straße (da wirds sogar schlimmer). Das Rad ist einfach zu steif und der Fahrer (hoffentlich) zu leicht. Bezüglich der vertikalen Nachgiebigkeiten kann man mit Faser-Kunststoff-Verbunden aber immerhin tendentiell etwas mehr erreichen als mit Metallen. Und das kann die Kräfte auf den Fahrer etwas verringern. Im vergleich mit Sattel, Reifen, Sattelstütze, Sitzpolster und Körpergewebe im Sitzbereich macht der Rahmen aber weit weniger aus, der ist gegenüber diesen Ansatzpunkten völlig irrelevant.
    • Der Rahmen kann ggf. mit seinen Eigenschaften besser oder schlechter zu einem konkreten Fahrer passen – je nach Körpergröße, Körperspannung, Gewicht, Körperfettanteil, Körperbau und Sitzposition hat der Mensch sicher variierende Steifigkeiten und Dämpfungsgrade, die mal besser, mal schlechter mit einem konkreten Rahmen harmonieren werden.
    • Insgesamt hilft es sicherlich unter Komfortaspekten, die Dämpfung an der wichtigsten Stelle zu verbessern, und die Systemmasse zu erhöhen, um niedrigere Eigenfrequenzen zu bekommen. Dann spürt man die besseren Federungseffekte besser, und die Dämpfung hilft auch eher. Weihnachten bietet sich da an, esst also die Weihnachtsgans mal alleine, und nehmt ordentlich zu, da ist das mit Abstand größte Potential!

    Die Plausibilität der obigen Aussagen hat übrigens noch einer unserer Maschinendynamikspezialisten hier in der Firma gegengecheckt.  Damit behaupte ich einfach mal:

    Der Rahmen eines Rades, gleich ob Metall oder FKV, hat mit dem Gesamtkomfort eines Rades so ziemlich am allerwenigsten zu tun, mit viel Aufwand kann man geringfügige Verbesserungen erreichen. An sich ist es aber wohl müßig, über Rahmen im Zusammenhang mit Komfort zu diskutieren. Beschränkt euch auf Reifen, Sattel, Sattelstütze und Lenkerband, und nehmt vor allem zu.

     

     

    Nachtrag: Ich bin ja kein MTBler, aber ich vermute einfach mal, dass deswegen die MTB-Federgabeln und Dämpfer so heftig gedämpft, aber gar nicht so arg gefedert sind. Extrem weiche Feder mit relativ hoher Dämpfung scheint für ein Rad nicht so doof zu sein. In die Regionen der aktiven Federelemente des MTB kommt man aber eben mit dem RR nicht.

    Categories: Allgemein, Lotz Carbon

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