matthias franke | 14.01.1994
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Konzeption eines neuen Liegeradtyps - Zusammenfassung

Kurzfassung:

Der absehbare Kollaps des automobilen Verkehrskonzeptes verlangt eine Suche nach Alternativen auch im Bereich des Individualverkehrs. Als umweltschonend bieten sich hier die beiden Prinzipien Solarmobil und Fahrrad an. Der bislang größere Erfolg des Fahrrades, die technische Einfachheit, das Innovationspotential, die Mög-lichkeit der umweltfreundlicheren, billigeren Produktion sowie die Verbindung von Sport, Gesundheitsförderung und Mobilität machen das Fahrrad momentan zur geeigneteren Alternative. Eine größere Ausar-beitung, aus der auch der Wettbewerbsbeitrag hervorging, zeigt, daß Geschwindigkeit und Ergonomie also Attraktivität bisheriger Radkon-truktionen noch entscheidend verbessert werden können:

Durch Minderung des Luftwiderstandes können z.B. mit einem Liegerad weitaus höhere Geschwindigkeiten erzielt werden, die Sitzposition ist bequemer. Die kleinen Nachteile herkömmlicher Liegerräder, wie evtl. schlechtere Lenkeigenschaft, Größe, Gewicht, Übersicht über den Straßenverkehr usw. können nur zum Teil ausgeschaltet werden. Um eine Verkleidung für Wetterschutz und Aerodynamik zu ermöglichen, wird ein Idealfahrzeug mehrspurig sein (balancieren somit nicht nötig); für die beste Windschlüpfrigkeit sorgt eine kleine Spurbreite; um sicher zu sein, wird es sich in die Kurve legen kön-nen; um Platz zu sparen, wird es heckgelenkt, frontangetrieben (2 Räder hinten, eines vorn) sein; für perfekte Ergonomie sorgt die Verstellbarkeit; aufgrund der Übersicht wird die Augenhöhe über 110 cm liegen... Jedoch sind bei der genaueren Erstellung einer solchen Idealkonfiguration viele Faktoren zu beachten, die die Betriebseigenschaften eines solchen Fahrzeugs beeinflussen. So verlangen ver-schiedene erwünschte Eigenschaften des Rades oft unvereinbare, widersprüchliche Merkmale (z.B. fordert Aerodynamik eine kleine Spur-breite, Sicherheit dagegen eine große). Es mußten also geschickte technische Lösungen (in diesem Fall die Kurvenlegmöglichkeit) oder Kompromisse gefunden werden, was zunächst eine physikalische, theo-retische Untersuchung der Problematik voraussetzt. Aufgrund der hierbei gefundenen abstrakten Regeln konnte dann gemäß der Prioritäten ein Fahrradkonzept entworfen werden. Das Ergebnis ist der beim Wettbewerb vorzustellende neuartige "Kurvenleger"

Ziel der vorliegenden Arbeit, Stand der Forschung:

Zahlreiche Studien zur Umweltproblematik, zu Verkehrstoten, zu fi-nanziellen Kosten des Autoverkehrs, zu dessen Energiebedarf, zur menschgerechten Auslegung von Fahrzeugen sowie unsere ganz persönlichen Erfahrungen im Stau und Stress des Straßenverkehrs zeigen, daß das automobile Verkehrssystem langfristig nicht nur in eine ökologische Sackgasse führt. Aufgrund dieser Tatsache muß über Alternativen zum Auto im Bereich des Individualverkehrs nachgedacht werden. Dabei sind Solarmobile nur unter großem technischen, finan-ziellen Aufwand aus nicht besonders umweltfreundlichen Materialien zu bauen. Grund genug für die Überlegung, ob nicht das gute, alte Fahrrad eine billige, platzsparende, umweltschonende Alternative sein könnte. Eine Studie des Projektseminars "Angewandte Kulturwis-senschaften, Abteilung Wirtschafts- und Sozialgeographie" der Universität Lüneburg belegt hierzu recht eindrucksvoll, daß im Innenstadtbereich das Fahrrad das durchschnittlich schnellste Verkehrsmittel ist. Außerdem darf der meist positive Einfluß von Bewegung auf die Gesundheit nicht vergessen werden. Durch das Fahrrad könnte wohl zumindest teilweise der persönliche Bedarf an Bewegung und Sport mit dem Mobilitätsbedarf sinnvoll verknüpft werden.

Eigene Forschungen, deren Ergebnisse in dieser Arbeit kurz umrissen werden, und Erfolge des Liegeradkonzeptes (Abb.A), das zur Zeit eine Renaissance erlebt, machen klar, daß es im Bezug auf die Entwicklung von "Human Powered Vehicles" HPV gewaltige In-novationsmöglichkeiten gibt. Die Anfänge des Liegerades reichen bis ins Jahr 1893. 1933 wurde vom UCI, nachdem zahlreiche Rekorde gebrochen waren, das Liegerad für den Radsport verboten, was bis heute neben den früher schlechten, für Liegeräder ohne Federung ungeeigneten Straßenverhältnissen eine Entdeckung des Liegerades für den allgemeinen Verkehr verhindert hat . Die Attraktivität des Fahrrads kann so noch bedeutend gesteigert werden. Es sollen hier also einige Kriterien zur Erstellung eines solchen "idealen HPV", das auch gegenüber den bisherigen Liegezweirädern Vorteile bietet, aufgestellt werden.

Ein besonderes Anliegen dieser Arbeit ist dabei das Vorstellen einer neuartigen Möglichkeit des "Kurvenlegens" bei einem Dreirad sein. Außer dem Bau eines Versuchsmodells dieses Fahrzeugs sollen zumindest langfristig weitere repräsentativere Ergonomieversuche mit Hilfe dieses Modells durchgeführt werden sowie das Erarbeiten von Möglichkeiten der physikalischen Beschreibung von Fahrzuständen fortgeführt werden (z.B. hat sich die Wissenschaft bisher kaum um Lenkeigenschaften, Eigenstabilität von Fahrzuständen des Zweirades gekümmert, so daß scheinbar simple Alltagsvogänge unerforscht, un-systematisiert bleiben und Möglichkeiten der Verbesserung des HPV`s - somit Leichtfahrzeugen insgesamt - evtl. noch brachliegen).

Anmerkungen zur Form der vorliegenden Arbeit

Wegen der Begrenzung des Umfanges wird auf die Darlegung der teils aufwendigeren Herleitungen von Formeln und auf die Darstellung der zahlreichen Meßwerte der Ergonomieversuche verzichtet. Es werden hier also lediglich Grundregeln, Untersuchungsergebnisse, auf denen die Konstruktion eines HPV`s beruhen sollte, mit Fußnoten zur Methodik ihrer Ermittlung allgemeinverständlich vorgestellt, auch wenn die Arbeit dadurch verkürzt unwissenschaftlicher wirkt. Der Grundgedanke des neuen Kurvenlegerkonzeptes wird dabei in einer ge-sonderten Anlage mit Abbildungen, Formeln, Diagrammen noch genau beschrieben. Als möglichst konsequente Umsetzung der hier gewon-nenen Erkenntnisse wird auch kurz (das Versuchfahrzeug ist später ausführlicher auf der Ausstellung vorzustellen) die praktische Um-setzung aller Erkenntnisse in einer Idealkonfiguration angesprochen und damit die eigentliche neue HPV-Konzeption aufgezeigt.

Prinzipien der Konstruktion

Sitzposition und Ergonomie

Die Sitzposition auf einem Liegerad (ähnlich der in einem Sessel) bietet gegenüber der klassischen einige Vorteile. So wird der Atmungsapparat nicht mehr durch die Krümmung nach vorn belastet, Ver-spannungen der Schultermuskulatur durch die Notwendigkeit des Abstützens auf den Lenker sind nun unmöglich, Gesäß- und Rückenmuskeln werden stärker am Tretvorgang beteiligt. Wegen dieser Beteili-gung des Gesäßmuskulatur sollte der Druck beim Sitzen durch die nicht von Muskeln überspannten Bereiche der Sitzbeinhöcker aufgefangen werden, die Beine müssen sich frei bewegen können. D.h., daß der Sitz möglichst schmal aber mit einer Art Beckenstütze konzipiert werden sollte. Einziger Nachteil dieser Sitzposition ist, daß ein Wiegetritt z.B. zum Bergauffahren, bei dem auch Armmuskeln usw. mitwirken, nicht möglich ist. Jedoch zeigt sich, daß auf dem Liegerad kurzfristig wegen des Widerlagers der Sitzlehne mit größe-rer Kraft getreten werden kann, als auf dem Normalrad . Als ideale Sitzposition auf dem Liegerad (Beispiel für Versuchsergebnis Abb.E; Diagramm 1,2,3), durch die bei gleicher Kraftentfaltung am Pedal die geringste Anstrengung nötig war, ergab sich eine Lehnenneigung (Winkel zwischen Sitzfläche und Lehne) von 105ø mit einer Sitz-flächenneigung zur Horizontalen von 8ø bei einem Winkel von 15ø zwischen der Linie Sitz-Tretlager und der Horizontalen (Tretlager unterhalb der Sitzhöhe) . Da es aber bei anderen Fahrern in-dividuelle Abweichungen geben mag, sollte der Sitz verstellbar sein.

Liegeräder die nicht mit einer Federung ausgestattet sind, geben bei einer solchen Sitzposition die Stöße, die durch Fahrbahnuneben-heiten ausgeteilt werden, direkt an die Wirbelsäule weiter, da die Beine nicht wie beim Normalrad abfedern können. Daher ist eine Federung z.B. auf Kopfsteinpflaster unerläßlich.

Sitzposition und Aerodynamik

Durch die beschriebenen Sitzposition ist die Stirnfläche des Liegerades nur 0,35 mý groß gegenüber einer Fläche von 0,42mý eines Rennrads bei gebückter Fahrerhaltung (Abb.B). Der vermutlich zusätzlich günstigere Cw-Wert verschafft dem Liegerad einen be-trächtlichen Vorteil des geringsten Kraftverlustes, was sich in zahlreichen Geschwindigkeitsrekorden (3000 mls in 5 Tagen, Spitzen-geschwindigkeiten von 112 km/h) niederschlägt. Die Stirnfläche eines Liegerades kann weiter verringert werden, indem der Fahrer seine Arme waagerecht in Fahrtrichtung hält, um ans Lenkrad zu greifen, und die Sitzposition so niedrig ist, daß Räder und Körper des Fahrers hintereinander, nicht mehr Übereinander liegen.

Mehrspurigkeit

Mehrspurige Fahrzeuge müssen nicht balanciert werden. Daher können sie beliebig langsam fahren und auch anhalten ohne umzufallen oder mit dem Fuß gestützt zu werden. So können Mehrspurfahrzeuge ohne Probleme voll verkleidet werden, da ja kein Fuß z.B. beim Stop an der Ampel durch die Verkleidung hindurch auf den Boden reichen muß. Eine Vollverkleidung bietet Wetterschutz und eine bessere Aerodyna-mik. Außerdem darf bei mehrspurigen Fahrzeugen der Schwerpunkt beliebig tief liegen, da die Eigenstabilität des Gleichgewichtszustandes eines Zweirades , die bei niedrigerem Schwerpunkt geringer ist, nicht berücksichtigt werden muß. Eine geringe Spurbreite vermeidet, daß ein solches Fahrzeug durch allzuviel mehr Schlaglöcher fährt als ein einspuriges Fahrrad. Da sich das Gesamtgewicht auf mehr Räder verteilt, wird die Reibung an jedem einzelnen Rad gerin-ger und der Gesamtreibungsverlust ist dadurch nicht größer als am Zweirad. Selbiges gilt wohl auch für den Materialverschleiß. Es muß lediglich ein größeres Drehmoment zur Überwindung des um 1/3 gewachsenen Trägheitsmoments der Laufräder erzeugt werden, was aber wenig Kraft kostet, und , wenn das HPV nicht abgebremst wird, keinen Energieverlust bedeutet.

Jedoch ist ein normales Dreirad nicht sehr kurvensicher. Es kann sich nämlich nicht wie ein Zweirad (Abb.D) entgegen der Fliehkraft in die Kurve legen, so daß eine riesige Spurbreite nötig wäre, sollte ein solches Fahrzeug nicht schon bei geringem Tempo aus der Kurve getragen werden.

Kurvenfahren

Kurvenleger

Es gibt aber mehrer Möglichkeiten, sich ein Dreirad doch in die Kurve legen zu lassen:

Kurvenleger aufgrund einer waagerechten Achse

Ein Weg zum Bau eines Kurvenlegers ist, neben der normalen Lenkung auch noch eine horizontale Achse anzubringen, um die der Schwer-punkt zur Seite kippen kann.

Kurvenleger aufgrund der Lenkung über eine Starrachse

Ist der Winkel zwischen Boden und Lenkkopflager Gø (Steuerkopfwin-kel) 90ø, so bewegt sich das Rad beim Lenken ausschließlich auf ei-ner horizontalen Ebene zur Seite. Wenn der Winkel Gø jedoch klei-ner gewählt wird, kann man die Drehbewegung beim Lenken in der Ebene senkrecht zur Lenkachse (Aø) als eine Kombination aus einer Bewegung in horizontaler Ebene (Fø) und einer anderen auf vertikaler Ebene (senkrecht zur Ebene der Lenkachse) (Bø) beschreiben . Die Bewegung des Rades in waagerechter Ebene (Fø) entspricht der Auslenkung in Ebene des Boden, bestimmt beim Fahren den Kurvenradius. Das Rad macht dabei aber auch eine Bewegung auf jener vertikalen Ebene (Bø), eine Art Kippbewegung senkrecht zur Fahrtrichtung, der obere Teil des Rades neigt sich zur Seite. Wenn nun der Schwerpunkt mit diesem Rad verbunden wird, führt er beim Auslenken des Rades -also beim Kurvenfahren- auch diese Bewegung Bø relativ zum Auflagepunkt des Rades z.B. ins Kurveninnere aus. Ein Dreirad mit derartiger Lenkung legt sich also in die Kurve. Durch die geometrischen Beziehungen zwischen den Winkeln auf den einzelnen Ebenen kann ermittelt werden, daß der ideale Steuerkopfwinkel Gø bei den durch die eingeschränkten Haftreibung begrenzten Kurvenhöchstgeschwindigkeiten, die eine maximale Neigung Bø von 32,3ø nötig ma-chen, je nach Geschwindigkeit zwischen 77ø und 49ø liegt .

Durch das "in die Kurve legen" verändern sich Größen.

Die geometrischen Zusammenhänge sind so noch komplizierter.

Die ursprüngliche Höhe des Schwerpunktes wird dabei - sollte sich der Schwerpunkt um Bø neigen - kleiner. Der Radius, in dem sich der Schwerpunkt bewegt, wird durch das "in die Kurve legen" kleiner; dies erzeugt zwar wiederum eine größere Fliehkraft, doch das wird auch bei Zweirädern problemlos in Kauf genommen. Der tatsächliche Abstand des Schwerpunktes zur Kippachse wird beim Kurvenlegen größer. Um dies zu berechnen, muß zunächst der Winkel zwischen dem "Kiel" ( Mittellinie beim Geradeausfahren, Linie durch das einzeln stehende Rad und dem Lenkkopflager ) und der Kipplinie in einer bestimmten Kurve gefunden werden. Damit das Dreirad nicht umkippt, muß natürlich der tatsächliche Abstand des Schwerpunktes von der Kipplinie (durch das Kurvenlegen vergrößert) mindestens so groß sein wie der nötige -. Die Formeln für den nötigen und den tatsäch-lichen Abstand des Schwerpunktes zur Kipplinie können gleichgesetzt werden, möchte man immer so fahren, daß das Dreirad nicht kippt. Gelingt es, sie nach Bø (Winkel in dem sich der Kurvenleger neigt) aufzulösen, kann man aus diesem Bø und dem der Kurve entsprechenden Fø (Winkel in dem in Ebene des Bodens gelenkt wird) [hierzu Formel für r nach Fø aufzulösen] exakt die jeweils ideale Neigung des Lenkkopflagers Gø errechnen tan Gø = sin (Fø/2) / sin (Bø/2). Dieser liegt wie schon erwähnt zwischen 77ø und 49ø .

Hecklenkung, Frontantrieb

Einspurige Fahrzeuge können, soll noch ein gewisses Maß an Eigenstabilität der Lenkeigenschaften vorhanden sein, nur sehr bedingt heckgelenkt sein. Mehrspurige Fahrzeuge machen eine Hecklenkung möglich, die evtl. durch einen Frontantrieb eines Rades zwischen den Beinen des Fahrers bei zwei Heckrädern geringster Spurbreite sehr platzsparend, leicht, wendig sein können. Ein Frontantrieb bietet dabei noch den Vorteil, daß nicht der gesamte Rahmen von vorn bis hinten die enormen Kettenkräfte aufnimmt und so weniger robust sein muß. Das spart Gewicht nicht nur an der Kette selbst.

Radstand

Da durch die Störkräfte beim Fahren die Größe des Lenkwinkels Fø auf 27ø begrenzt wird, kann ein kleiner Wendekreis nur durch die Minimierung des Radstandes erreicht werden. So müßte der Radstand kleiner als 115 cm sein, damit der Radius des Wendekreises kleiner Als 500 cm bleibt.

Der Nachlauf

Der Nachlauf des gelenkten Rades hat einen beträchtlichen Einfluß auf die Lenkeigenschaften eines Fahrrades. Je größer der Nachlauf, desto unanfälliger ist die Lenkung gegen bei höheren Geschwindigkeiten wachsende Störkräfte. Durch eine Variabilität des Steuerkopfwinkels könnte jedoch die Größe des Nachlaufs immer der Geschwindigkeit angeglichen werden, so daß z.B. kein Flattern entsteht.

Höhe des Schwerpunktes

Bei einem kleinem Radstand muß aber auch darauf geachtet werden, daß das HPV beim Abbremsen nicht nach vorne überkippt oder sich beim Beschleunigen schlimmstenfalls das Frontrad anhebt. Der Vektor der Brems- bzw. Beschleunigungskraft darf dazu nicht außerhalb der Radstandstrecke liegen. Das heißt: befindet sich der Schwerpunkt, an dem dieser Vektor angreift, etwa in der Mitte zwischen den Rädern des Abstands 100 cm, so darf bei den möglichen Bremskräften seine Höhe nicht 46 cm überschreiten. Ein niedriger Schwerpunkt bietet außerdem den Vorteil, daß beim Kippen ins Kurvenäußere weni-ger Lageenergie verloren geht, so daß zum Aufrichten, geschieht dies nicht wie beim Zweirad durch Balance, weniger Kraft gebraucht wird.

Augenhöhe

Um dem Fahrer in ausreichendem Maße das Verkehrsgeschehen beobachten lassen zu können, sollte seine Augenhöhe jedoch über 110 cm liegen, was ungefähr der Augenhöhe des durchschnittlichen Autofahrers entsprechen könnte.

Antrieb

Die kreisförmige Bewegung beim üblichen Drehkurbelantrieb entspricht sicherlich nicht dem Ideal der Anpassung an die physiologischen Anlagen des Menschen. Dennoch ist ein idealer Bewegungsablauf recht schwer zu ermitteln; die Mechanik eines Antriebs darf nicht zu kompliziert mit zuviel Reibung sein und die Bewegung muß mit geringsten Verlusten immer wieder ihre Richtung wechseln. Daher bleibt der Drehkurbelantrieb wohl die attraktivste Lösung, was sich auch im Scheitern von Systemen wie dem STS-Power-Pedal zeigt, die unter erheblichem finanziellem Aufwand der Industrie entwickelt wurden.

Größe der Räder

Da die Reibung bei größeren Laufrädern geringer ist, die Größe des Trägheitsmomentes jedoch geringer wird und kleinere Räder einen ge-ringeren Luftwiderstand haben, ermittelt sich die ideale Radgröße je nach Gewicht und Lage des Rades im Bezug auf die Stirnfläche als ein Kompromiss zwischen diesen drei Faktoren. Meist liegt sie dabei im Bereich der handelsüblichen Laufradgrößen von 27 oder 28 Zoll. Solche Räder können auch noch über recht beträchtliche Hindernisse auf der Fahrbahn hinwegfahren.

Idealkonfiguration eines HPV`s

Die beschriebenen Bauprinzipien lassen das HPV-Konzept des Dreirads als am besten für den Alltag geeignet erscheinen. Hierbei befindet sich das angetriebene Frontrad zwischen den fast waagerecht liegen-den (15 - 30 cm nach unten geneigt), zum Pedal ausgestreckten Beinen des Fahrers (Abb.C), der auf einem 15 cm breiten, vorn spitz zulaufenden Schalensitz mit Lehne Platz nimmt. Der Höhenunterschied zwischen Sitz und Tretlager sowie ihr Abstand sollte dabei ver-stellbar sein. Die beiden über eine Starrachse gelenkten Hinter-räder werden bei einem Radstand von 107 cm und einer Spurbreite von nur 20 cm durch eine indirekte Lenkung per Seilzüge ausgelenkt. Hierbei kann nicht nur der Lenkwinkel zwischen 0ø und 25ø variiert werden, sondern auch der Lenkkopfwinkel zwischen 80ø und 47ø, so daß sich der Schwerpunkt des Fahrzeugs wahlweise bis um 35ø in die Kurve legt. Der Drehpunkt der Schwinge, die beim Ändern dieses Lenkkopfwinkels ausgelenkt wird, müßte dabei auf der verlängerten Achse der gelenkten Hinterräder liegen, damit beim Bewegen dieser Schwinge der restliche Rahmen mit dem Schwerpunkt seine Lage nicht verändert. Da ja durch die Lenkung zwei Größen (Lenkkopfwinkel, Lenkwinkel) variabel sein sollen, muß es an der indirekten Lenkung auch zwei Freiheitsgrade geben. Die Griffe der Lenkstange der indirekten Lenkung werden aus Platzgründen zunächst unter dem Sitz angebraucht, können aber ohne Probleme erweitert werden. Der Sitz ist so variabel, daß eine sportliche Haltung unten zwischen den Rädern und eine mehr verkehrssichere weiter oben möglich ist.

* S. Böge; Die Auswirkungen des Güterverkehrs auf den Raum; Diplomarbeit Dortmund `92

* M. Hesse, Verkehrswende; Marburg `93

* D. Seifried; Gute Argumente: Verkehr; München `93

* Die Zeit; Verkehrsinfarkt - Die mobile Gesellschaft vor dem Kollaps; `89 (Artikelserie auch als TB-Sammelband erschienen)

* Der Spiegel - Spezial; Erde 2000; Juli `93

* D. Meadows; die Grenzen des Wachstums; Stuttgart `92

* Information über herkömmliche Liegerader: bei HPV Liegeraddatei A. Pooch Heidestr. 8 53840 Troisdorf gegen 7 DM, im Bezug auf Technik bei Werner Stiffel Im Holderbusch 7 76228 Karlsruhe oder bei den bekanntesten Firmen wie Voss GmbH Tulpenweg 2 25524 Itzehoe-Edendorf, Radius GmbH Borkstr. 20 48163 Münster, Pichlerrad Steinstr. 23 76133 Karlsruhe.

* Einzige Literatur zu diesem Thema: G. Fehlau, Das Liegerad; Kiel `93 und C. Kuhtz, Chopper-Fahrräder, Kiel `86

* Auch in Deutschland hat sich ein gleichnamiger Verein von Bastlern und einigen Wissenschaftlern, Ingenieuren mit dem Ziel der Verbesserung des Fahrradkonzeptes etabliert (HPV-Deutschland e.V., Postfach 2004 in 8520 Erlangen)

* Zur Geschichte des Liegerades in G. Fehlau, Das Liegerrad, Kiel `93