Hand aufs Herz: Habt ihr jemals einen Gedanken daran verschwendet, welche Art Magie von der Umlenkung am Hinterbau eures Bikes veranstaltet wird? Wisst ihr, warum ein Eingelenker sich anders fährt als ein Viergelenker oder warum ein VPP-Hinterbau so gut klettert? Habt ihr eine Ahnung, warum sich eure Federung verhärtet, wenn ihr bremst, oder warum euer Bike wippt, während ihr in die Pedale tretet? Es wird Zeit, unter die Gürtellinie des Bikes zu schauen. Und dabei unseren inneren technischen Shamanen zu entdecken, denn wir tauchen tief ein in die dunklen Mächte des Hinterbaus.
Wir wollen für euch das Geheimnis der Funktion eures Fahrwerks lüften. Deshalb haben wir gemeinsam mit Ruben Torenbeek, dem Ingenieur und Designer von RAAW Mountainbikes, eine zweiteilige Artikelserie gestartet, um euch hier das Know-how über die Funktion und Konstruktion von Fahrrad-Hinterbauten zu vermitteln. Was gibt es schon über ein Fahrwerk zu sagen? Verdammt viel. Tiefgreifende Infos zu grundlegenden Eigenschaften bis hin zu komplexen Zusammenhängen könnten uns in einen Trancezustand versetzen. Doch keine Sorge, hier gibt’s nur knallharte Fakten, die ihr vielleicht schon immer wissen wolltet. Ganz gleich, ob ihr unerfahren und einfach an der Technik eurer Bikes interessiert seid, oder ob ihr bereits sehr vertraut mit dem Thema Kinematik und Federung seid und noch etwas tiefer eintauchen wollt: Ihr werdet hier genau finden, wonach ihr sucht!
Hardtail vs. Fully
In den letzten Jahrzehnten ist die Entwicklung von Federgabeln und Rahmen exponentiell gewachsen und hat neue Standards in puncto Komfort, Effizienz und generellen Fähigkeiten der Bikes gesetzt. Heutzutage besitzt die Mehrheit der Mountainbikes eine Federgabel. Was wir in diesem Artikel aber genauer betrachten, ist die Federung des Hinterrads.
Mountainbikes und E-Mountainbikes können in zwei Gruppen unterteilt werden: Hardtails mit einer starren Verbindung zum Hinterrad, sowie Fully-Bikes mit einer zusätzlichen Hinterrad-Federung.
Funktion des Hinterbaus
Der Hinterbau erfüllt eine Vielzahl von Aufgaben, er ist für den Fahrkomfort bis hin zum Grip und zur Kontrolle im rauen Terrain verantwortlich. Unabhängig von ihrer Bestimmung funktioniert die Hinterbau-Federung immer nach dem gleichen Prinzip: Eine Feder gleicht Unebenheiten aus, während die Dämpfung Energie absorbiert, die von Schlägen auf das Hinterrad kommt. Designer und Ingenieure haben über die vergangenen Jahrzehnte eine Vielzahl an Hinterbau-Konstruktionen kreiert, die alle verschiedene Fahreigenschaften aufweisen. Die Charakteristiken beim Pedalieren, Bremsen und der Schlag-Absorption definieren das jeweilige Hinterbau-Konzept.
Elemente des Hinterbaus
Ein Hinterbau setzt sich aus zwei Hauptkomponenten zusammen. Erstens: Der Stoßdämpfer (kurz: Dämpfer) mit Feder und Dämpfung. Das zweite Element kennzeichnen die Komponenten des Hinterbaus, die das Hinterrad mit dem Dämpfer verbinden. Rahmenkonstrukteure und Entwickler von Dämpfern arbeiten Hand in Hand, um ein System zu erschaffen, das als Gesamtpaket funktioniert. Die Bikeindustrie bietet eine sehr reichhaltige Vielfalt an Hinterbau-Arten – anders als beispielsweise die Motorrad-Industrie, die meist dieselbe Bauweise gemeinsam hat.
Eine Federung zu entwickeln erfordert Fachwissen und Erfahrung. Jedes Hinterbau-Konzept strebt nach einem bestimmten Zweck, Fahrgefühl und Handling. Bevor man sich mit der Konstruktion auseinandersetzt, ist es unerlässlich, die Theorie der Federungsmerkmale zu verstehen. Wie beeinflussen verschiedene Bauweisen das Pedalieren? Was geschieht beim Bremsen mit dem Fahrwerk und auf welche Weise reagiert es auf Schläge? Es wird Zeit, die Eigenschaften der Hinterrad-Federung kennenzulernen und zu verstehen, wie sie das Handling auf dem Trail definieren.
Die drei Merkmale der Hinterrad-Federung
Schlag-Absorption, Pedaliereffizienz und das Bremsverhalten sind eng miteinander verknüpft. Wenn beispielsweise Treteffizienz komplett isoliert von allen anderen Faktoren wäre, könnte ein Konstrukteur sie bis zur Perfektion optimieren – das wäre ein Kinderspiel, entspricht jedoch nicht der Realität. Der Einbezug aller Charakteristiken ist bei der Hinterbau-Konstruktion Maß aller Dinge, wenn es darum geht, für den angestrebten Zweck das beste Konzept zu finden.
Absorption von Schlägen
Das wichtigste Ziel eines Hinterbaus ist es, Schläge zu absorbieren. Oder anders gesagt: die Energie zu absorbieren, die von einem Stoß auf das Hinterrad wirkt. Stoßabsorption als eine Eigenschaft ist definiert durch zwei Elemente: die Raderhebungskurve und die Wheel-Rate. Die Raderhebungskurve ist die exakte Linie, der die Achse des Hinterrades beim vollen Einfedern der Federung folgt. Die Wheel-Rate ist die Federhärte gemessen am Hinterrad, die vom Übersetzungsverhältnis des Rahmens und der Kennlinie am Dämpfer abhängt.
Raderhebungskurve
Während einer vollen Kompression der Federung folgt die Radachse einem definierten Weg. Dieser Weg der Achse ist bei allen Hinterbau-Konzepten unterschiedlich und durch die Drehpunkte der Aufhängung festgelegt.
Die Schläge auf das Hinterrad treffen den Reifen aus einem bestimmten Winkel, abhängig von der Größe des Hindernisses. Im Idealfall sollte die Raderhebungskurve in dieselbe Richtung verlaufen wie der Schlag. Das bedeutet, dass eine nach hinten gerichtete Raderhebungskurve für die Stoßabsorption üblicherweise als besser angesehen wird. Die Realität ist jedoch, dass ein Hinterbau nicht nur zugunsten einer vorteilhaften Raderhebungskurve konzipiert werden kann. Es ist wichtig, die beste Balance aus allen Eigenschaften des Hinterbaus zu finden, welche sich je nach Einsatzbereich des Bikes abstimmen lassen.
Wheel Rate
Das zweite Merkmal der Stoßabsorption ist die Wheel Rate. Sie ist die Summe aus zwei Kennzahlen: dem Übersetzungsverhältnis des Hinterbaus und der Federkennlinie des Dämpfers. Das Übersetzungsverhältnis ist das Verhältnis zwischen dem Federweg des Hinterrades und dem Federweg des Dämpfers. Es wird allein anhand der Konstruktion des Hinterbaus bestimmt und kann sich durch den Federweg hindurch ändern.
Auf der anderen Seite steht die Federkennlinie des Dämpfers. Sie besteht aus Federhärte bzw. Luftdruck und dem Umfang der genutzten Low-Speed- und High-Speed-Druckstufe und Zugstufe. Die Federkennlinie kann sich durch den Federweg hindurch ebenfalls ändern. Die auf den Dämpfer wirkende Kraft und das Maß an Kompression sind nicht immer linear. Das Kompressionsverhältnis des Dämpfers plus dem Übersetzungsverhältnis ergeben die Wheel Rate.
Eine Federung kann so konzipiert werden, dass sie eine unterschiedliche Wheel Rate durch den Federweg hindurch aufweist. So lässt sie sich für spezifische Situationen optimieren. Um die Wheel Rate zu beschreiben, nutzen wir die Begriffe Degression, Linearität und Progression.
Degression
Die Kraft, die benötigt wird, um den Dämpfer mit steigendem Federweg zu komprimieren, verringert sich. Degressive Federung bedeutet, dass der Federweg mühelos genutzt wird und es sich dadurch anfühlt, als würde die Federung durch den Federweg rauschen.
Linearität
Die Kraft, die benötigt wird, um den Dämpfer zu komprimieren, bleibt mit steigendem Federweg und auch während des gesamten Federwegs gleich. Linearität geht oft Hand in Hand mit Berechenbarkeit.
Progression
Die Kraft, die benötigt wird, um den Dämpfer einfedern zu lassen, erhöht sich mit steigendem Federweg. Der Gegenhalt der Federung intensiviert sich und je mehr Federweg genutzt wird, desto schwerer wird es, die Federung weiter zu komprimieren. Enduro- und Downhill-Bikes neigen dazu, progressive Hinterbauten zu besitzen, um Durchschlägen vorzubeugen und sicherzustellen, dass der gesamte Federweg wirkungsvoll, aber nicht vorschnell genutzt wird.
Stoßabsorption kann definiert werden als die Fähigkeit des Hinterbaus, kinetische Energie von Schlägen auf das Hinterrad zu absorbieren. Die Raderhebungskurve und die Wheel-Rate definieren die Stoßabsorption und stehen mit den anderen Merkmalen der Federung in Beziehung. Abhängig vom Einsatzzweck des Bikes kann die Stoßabsorption mehr oder weniger Priorität haben. Downhill-Bikes werden üblicherweise den höchsten Wert auf Stoßabsorption legen, aber auch andere Faktoren müssen in Betracht gezogen werden, um Merkmale wie Pedaliereigenschaften oder Bremsverhalten ausgewogen zu halten.
Treteffizienz
Zwei Jahrzehnte der Konstruktion von Hinterbau-Konzepten wurden maßgeblich von der zentralen Frage beeinflusst: Wie können wir ein Fahrwerk entwickeln, dass dem Fahrer keine Energie entzieht? Bikes sollten so effizient wie möglich sein, um jedes Watt des Fahrers in Vortrieb umzuwandeln (für E-Bikes gilt natürlich ein anderes Szenario, da diese einen ergänzenden Motor besitzen). Ein Bike zu fahren, ist eine sehr dynamische Handlung. Anders als bei einem Motorrad mit einem fest installierten Motor und einer relativ statischen Fahrposition, bewegt sich ein Mountainbiker in alle Richtungen. Die Treteffizienz beschreibt die Fähigkeit, die Energie, die beim Treten von der Muskeln des Fahrers erzeugt wird, an das Hinterrad zu übertragen und wird durch Anti-Squat und Pedalrückschlag bestimmt.
Anti-Squat
Kennt ihr das Gefühl, wenn man in einem Sportwagen auf’s Gaspedal tritt? Ihr werdet durch die Beschleunigung in euren Sitz gepresst. Die Beschleunigung verursacht einen Massentransfer und genau das ist es, was ihr fühlt. Im Prinzip passiert das Gleiche, wenn ihr pedaliert. Während das Bike beschleunigt und einen Massentransfer auslöst, werden euer Körper und das Bike zurückgedrückt, genau wie in einem beschleunigenden Sportwagen.
Die Beschleunigung drückt euer Gewicht in Richtung Hinterrad und der Hinterbau federt ein. Allein durch das Pedalieren reagiert die Hinterbau-Federung mit Einfedern. Das nennt man auch „Squatting“ (englisch für „in die Hocke gehen“).
Aber Massentransfer ist nicht das Einzige, was bei einem Tritt in die Pedale geschieht. Die Kraft der Kette zieht an der Hinterbau-Federung, bedingt das Ausfedern des Dämpfers und hebt den Fahrer an. Anti-Squat ist der Begriff, der das Maß der Reaktion der Hinterbau-Federung auf die Kräfte der Kette beschreibt. Anti-Squat wird in Prozent gemessen: 0% Anti-Squat bedeutet, dass es keinerlei Einfluss der Kettenkräfte auf die Federung gibt und der Massentransfer für die Kompression der Federung sorgt. Hingegen bedeuten 100% Anti-Squat, dass die Kettenkraft dem Massentransfer genau entgegenwirkt und das Bike sich somit nicht in seinen Federweg zieht. Weniger als 0% Anti-Squat würden sogar den Effekt des Massentransfers weiter verstärken und bei mehr als 100% Anti-Squat würde der Dämpfer noch weiter ausfedern.
Sind 100% Anti-Squat am besten?
Die vorangegangene Erklärung berücksichtigt nicht, dass das Pedalieren ein äußerst dynamischer Prozess ist. Wir fahren unsere Bikes sehr aktiv, bewegen uns, drücken, ziehen und beeinflussen mit unserem Körper den Schwerpunkt auf dem Bike. Wäre dieser Schwerpunkt statisch, würde Anti-Squat ein einfacheres Thema sein. Konstrukteure und Hersteller haben unterschiedliche Theorien zu Anti-Squat-Werten und optimieren ihn nach ihrem eigenen Ermessen. Es gibt mit Sicherheit nicht die eine Wahrheit und die Dinge werden sogar noch komplexer.
Die Schaltung und Anti-Squat
Anti-Squat ist, wie bereits erklärt, die Reaktion der Hinterbau-Federung auf die Kräfte der Kette. Das bedeutet, dass die Konstruktion des Hinterbaus eine Rolle spielt, aber auch die Position und Richtung der Kette. Die obere Kettenlinie ist der Schlüssel beim Design des Hinterbaus. Das Schalten mit einem Schaltwerk ist inzwischen Standard und alle Gang-Kombinationen haben unterschiedliche Kettenlinien. Daraus resultieren divergierende Anti-Squat-Werte für die jeweiligen Gänge. Generell haben die Ritzel auf der Kassette weniger Einfluss auf den Anti-Squat-Wert als die vorderen Kettenblätter. Der aktuelle Trend der Einfach-Antriebe macht es etwas leichter, die Anti-Squat-Werte zu optimieren. Ein Kurbelsatz mit zwei oder drei Kettenblättern ergibt höhere Anti-Squat-Werte auf dem kleinsten Kettenblatt.
Während des Einfederns des Hinterbaus verändern sich auch die Kettenlinie und die Geometrie des Hinterbaus, wodurch sich abweichende Anti-Squat-Werte bei den jeweiligen Federwegsbereichen ergeben. Der Anti-Squat-Begriff an sich ist vielleicht nicht sehr schwer zu verstehen, aber die Dynamik des Fahrers und Faktoren wie die Größe des Kettenblattes machen das Thema um einiges komplexer, mit nicht nur einem Lösungskonzept.
Pedalrückschlag
Also, warum nicht einfach ein Bike mit einem sehr hohen Anti-Squat-Wert konstruieren? Stellt euch vor, ihr tretet einen steinigen Trail bergauf. Der Hinterbau nimmt Schläge vom Untergrund auf und verleiht euch die Bodenhaftung, um den Anstieg zu bewältigen. Beim Bergauffahren ist euer Hinterbau aktiv, was bedeutet, dass Spannung auf der Kette liegt und euer Hinterbau einfedert. Die meisten Hinterbau-Konzepte haben keine konstante Kettenstrebenlänge durch den gesamten Federweg hindurch und so kommt es zur Längenänderung der Kette. Zurück zur Ausgangssituation des Bergauf-Tretens auf einem steinigen Trail: Das Einfedern eures Hinterbaus verursacht eine Kettenlängenänderung und zieht an euren Kurbeln. Ihr verspürt das unschöne Gefühl, wenn eure Pedale zurückgezogen werden, den Pedalrückschlag. Dieser kann nur stattfinden, wenn der Freilauf eingerastet ist, also beim Pedalieren oder bei Schlägen, d. h. immer wenn Druck auf den Pedalen lastet. Pedalrückschlag wird in „Verdrehungsgrad“ der Kurbelstellung gemessen. Er hängt von der Position und Richtung der Kette ab, genau wie Anti-Squat. Ein kleineres Kettenblatt an der Kurbel wird mehr Pedalrückschlag verursachen.
Brems-Effizienz
Anti-Rise
Wir müssen nun berücksichtigen, wie sich die Hinterbau-Konstruktion auf die Bremsleistung auswirkt. Warum verhärten sich manche Bikes beim Bremsen, während andere vollständig aktiv bleiben? Die Hinterradbremse besteht aus einer Bremsscheibe, die am Hinterrad montiert ist und einem Bremssattel, der am Rahmen des Bikes befestigt ist. Beim Bremsen wird eine von der Bremse ausgehende Kraft in den Rahmen eingeleitet. An einem Fully beeinflusst diese Kraft die Funktion des Hinterbaus. Der Grad des Einflusses durch das Bremsen wird durch den Begriff Anti-Rise bestimmt. Im Wesentlichen ist Anti-Rise ein Maß dafür, wie sehr der Hinterbau durch die Kraft des Bremsens ein- oder ausfedert. Anti-Rise kann entweder konzipiert werden, um beim Bremsen die Geometrie des Bikes ausgewogen zu halten oder dabei über ein aktives Fahrwerk zu verfügen.
Stopp!
Falls ihr schon einmal urplötzlich bremsen und so schnell wie möglich zum Stehen kommen musstet, kennt ihr das Druckgefühl auf euren Händen. Wenn ihr bremst, verlangsamt ihr euer Bike und der Massentransfer schiebt euren Körper nach vorn. Die Last verteilt sich daher mehr auf das Vorderrad und weniger auf das Hinterrad. Als Reaktion darauf federt der Dämpfer aus. Anti-Rise ist die Reaktion des Hinterbaus, sich in Folge der Kräfte an der Hinterradbremse zu komprimieren. Durch den Massentransfer federt der Dämpfer aus, der Anti-Rise kann daher genutzt werden, um dem entgegenzuwirken. Die Position der Hinterradbremse und die Geometrie des Hinterbaus bestimmen, wie der Hinterbau auf Bremsungen reagiert.
Messen des Anti-Rise
Anti-Rise wird in Prozent gemessen, 0% und 100% sind ein guter Anfang, um zu verstehen, was diese Werte bedeuten:
0% Anti-Rise:
- Die Bremse hat keinen Einfluss auf die Federung, welche aufgrund
des Massentransfers ausfedern wird. - Die Federung wird nicht durch das Bremsen beeinflusst und bleibt aktiv.
- Die Geometrie des Bikes verändert sich.
100% Anti-Rise:
- Die Bremse hat Einfluss auf die Federung. Die Kombination aus diesem Einflusswert und dem Massentransfer stellt sicher, dass die Federung sich beim Bremsen nicht komprimiert oder ausdehnt.
- Die Geometrie des Bikes verändert sich nicht und bleibt ausgewogen.
Die ideale Menge Anti-Rise hängt vom Einsatzzweck des Bikes ab und ist eng verbunden mit den anderen Merkmalen wie Anti-Squat. All diese Charakteristiken beeinflussen sich in gewisser Hinsicht gegenseitig und müssen in einem ausgewogenen Verhältnis zueinander stehen, um den besten Kompromiss für den jeweils gewünschten Einsatzbereich zu erhalten.
Und das war’s auch schon mit Teil eins. Wir hoffen, ihr habt nun ein besseres Verständnis hinsichtlich der Grundlagen zur Hinterbau-Federung. Auch wenn all diese Konzepte geradlinig sein mögen, muss man sich vor Augen halten, dass die Eigenschaften einer Federung alle miteinander in Beziehung stehen. Sie sind dynamisch und beeinflussen sowie verändern sich, während sich das System durch seinen Federweg bewegt. Das ist es, was Federung so komplex macht – aber gleichermaßen interessant.
Im nächsten Teil werden wir euren Geist vom dichten Nebel um die gängigsten Hinterbau-Konzepte und deren Eigenschaften befreien. Lest Teil 2 dieses Artikels hier auf unserer Website: Wie Hinterbau-Konzepte die Performance eures MTBs beeinflussen.
Dieser Artikel ist aus ENDURO Ausgabe #036
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Text: Trevor Worsey, Ruben Torenbeek Illustration: Julian Lemme
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