Prof. Dr.-Ing. Hubert Hinzen
- Es ist durchaus korrekt, von einer „inneren Reibung“ des Zahnriemens zu sprechen: Wenn der Riemen von der Geradeausfahrt in die Kurve geht, weil er mit den Riemenscheiben umlaufen muss, entzieht er dem Gesamtsystem Energie. Beim Übergang von der Kurvenfahrt in die Geradeausfahrt wird diese Energie teilweise wieder frei, aber der Riemen selber verbraucht auch einen Teil davon und setzt sie in Wärme um, die dabei als „innere Reibung“ verloren geht.
- Die Kette hingegen hat Gelenke und verbraucht dabei wesentlich weniger Energie. Diese Feststellung gilt nicht nur bei Leerlauf und geringer Last, sondern auch bei hoher Last.
- Ein weiterer Verlust kommt dadurch
zustande, dass der Riemenzahn beim Auflaufen auf den Zahn der
Riemenscheibe weitere Reibung hervorruft, die auch von der
Vorspannung des Riemens abhängt.
Sehr geehrter Herr Schmeißer,
seit geraumer Zeit beschäftigt sich die Hochschule Trier mit
Fahrradtechnik: Es fing zunächst mit Fahrradreifen an, dann wurden die
Untersuchungen auf den Fahrradantrieb ausgeweitet und zurzeit steht auch
ein Prüfstand für Fahrradbremsen kurz vor der Fertigstellung. Unser
Labor ist mit insgesamt 9 Prüfständen ausgestattet, von denen einige für
die Fahrradindustrie nachgebaut wurden.
Sie interessieren sich besonders für den Wirkungsgrad des
Fahrradantriebes, der ja bekanntlich der Quotient aus Nutzen und
Aufwand ist: Von der am Tretlager eingeleiteten Leistung (Aufwand) soll
möglichst viel am Hinterrad (Nutzen) ankommen. Im Idealfall ist dieser
Quotient 1 oder 100%. Der Kettentrieb in Kombination mit einer
Kettenschaltung ist diesbezüglich der ideale Fahrradantrieb, weil er die
Leistungsübertragung von der Tretlagerwelle zum Hinterrad mit der
Funktion eines Schaltgetriebes vereinigt. Es gibt also nur einen
Verlustverursacher.
Nabenschaltungen sind für sich betrachtet zwar Getriebe mit
ausgezeichnetem Wirkungsgrad, müssen aber stets mit einem
„Zugmitteltrieb“ (Oberbegriff für Kette, Flachriemen, Zahnriemen,
Keilriemen, Poly-V-Riemen usw.) kombiniert werden, der die Leistung von
der Tretlagerwelle auf das Hinterrad überträgt, wodurch sich ein System
aus zwei Verlustverursachern ergibt. Aufgrund dieses systembedingten
Nachteils weisen Antriebe mit Nabenschaltung in aller Regel einen
geringeren Wirkungsgrad auf als die mit Kettenschaltung.
Dieser systembedingte Nachteil wird noch deutlicher, wenn die
Fahrradkette durch einen Zahnriementrieb ersetzt wird.
Messungen haben zweifelsfrei ergeben,
dass die Verluste eines Zahnriementriebes deutlich größer sind als die
eines Kettentriebes.
Diese Verluste steigen übrigens noch weiter an, wenn eine Nabenschaltung
nicht mit Zahnrädern, sondern mit einem Reibradgetriebe ausgestattet
ist. Dadurch lässt sich das Getriebe zwar stufenlos schalten, aber die
Verluste fallen aufgrund des unvermeidlichen Schlupfes deutlich höher
aus. Schließlich hat sich das stufenlose Getriebe auch für den Antrieb
von Kraftfahrzeugen nicht durchsetzen können.
Unser Buch "Maschinenelemente 3" (Bucheinband s. Anlage) versucht, die
Fragestellung des Wirkungsgrades von Zugmitteltrieben umfassend
anzugehen. Hier werden die Prüftechnik und die Ergebnisse für
Kettentriebe zwar ausführlich beschrieben, aber diese Lektüre dürfte ein
eher mühsames Unterfangen werden, weil die Problematik mit
ingenieurwissenschaftlicher Gründlichkeit in den Zusammenhang mit
Reibung, Schlupf und Verschleiß gestellt wird. Dieses Buch stellt auch
den neuen Prüfstand vor, mit dem Zugmitteltriebe für
Industrieanwendungen untersucht werden.
Der "Hochschulreport von 2012" kam zu einem falschen Ergebnis. Mit einem neuen Prüfstand wurde 2016 der pulsierende Antrieb beim Fahrrad simuliert, was zu dem eindeutigen Ergebnis führt: Riemenantrieb hat einen mehrfach höheren Verlust als der Kettenantrieb. Beim Riemenantrieb fährt ungewollt eine Bremse mit. **Die genauen Ergebnisse unterliegen einer Vertraulichkeit.
Im Hochschulreport 2016 (s. Anlage) werden Optimierungsstrategien
geschildert, die den Wirkungsgrad eines Fahrradantriebes auf die Spitze
treiben: Diese Rekorde sind nur möglich, wenn jedes überflüssige
Milliwatt an Reibleistung vermieden wird. Der Riementrieb hätte dabei
überhaupt keine Chance.
Es ist durchaus beachtlich, wie Sie versuchen, mit einfachen Mitteln den
Wirkungsgrad von Kette und Riemen gegenüber zu stellen. Tatsächlich
verdient diese Fragestellung viel mehr Aufmerksamkeit als es derzeit in
den Medien der Fall ist, schließlich ist es eine der wichtigsten
Aufgaben der Fahrradtechnik, die beschränkte Muskelleistung möglichst
vollständig für den Antrieb des Fahrrades zu nutzen. Die in Ihren Videos
vorgestellte Prüfvorrichtung mag zwar für Demonstrationszwecke sinnvoll
sein, ist aber natürlich kein Messgerät, mit dem sich der Wirkungsgrad
beziffern lässt. Zu den von Ihnen genannten Zahlenwerten zum
Wirkungsgrad kann ich mich von hier aus schlecht äußern. Grundsätzlich
besteht aber das Problem, dass die Antriebsleistungen von Akkuschrauber
oder Erdbohrer als Antriebsmotor einerseits und die am Abtrieb
entnommene Leistungen durch Anheben eines Gewichtes oder durch den
Betrieb einer Wirbelstrombremse andererseits reichlich ungenau sind, so
dass sie keine zuverlässigen Aussagen über den Zahlenwert des
Wirkungsgrades zulassen.
Es ist durchaus korrekt, von einer „inneren Reibung“ des Zahnriemens zu
sprechen: Wenn der Riemen von der Geradeausfahrt in die Kurve geht, weil
er mit den Riemenscheiben umlaufen muss, entzieht er dem Gesamtsystem
Energie. Beim Übergang von der Kurvenfahrt in die Geradeausfahrt wird
diese Energie teilweise wieder frei, aber der Riemen selber verbraucht
auch einen Teil davon und setzt sie in Wärme um, die dabei als „innere
Reibung“ verloren geht. Die Kette hingegen hat Gelenke und verbraucht
dabei wesentlich weniger Energie. Diese Feststellung gilt nicht nur bei
Leerlauf und geringer Last, sondern auch bei hoher Last. Ein weiterer
Verlust kommt dadurch zustande, dass der Riemenzahn beim Auflaufen auf
den Zahn der Riemenscheibe weitere Reibung hervorruft, die auch von der
Vorspannung des Riemens abhängt.
Der Zahnriementrieb mag zwar zum Lifestyle-Produkt
hochstilisiert werden, für die Optimierung des Wirkungsgrades ist er
aber untauglich. Es gibt keinen Sinn, kleinste Energien durch die
Verwendung eines noch leichteren Fahrrades einsparen zu wollen,
anderseits aber durch den Riementrieb Energie zu verschwenden.
Natürlich können Sie diese meine Aussagen zitieren, schließlich ist die
Hochschule nicht nur für die Ausbildung von Studenten zuständig, sondern
hat darüber hinaus auch die Aufgabe, die Öffentlichkeit aufzuklären
Mit freundlichen Grüßen
Prof. Dr.-Ing. Hubert Hinzen
Hochschule Trier