Ergonomie und Sport

Schwingungsbelastung auf dem Rennrad

Referat von Henning SchnurrHauptstudium Industrie-Design

Seminar: Ergonomie, Axel Heppner, SS 2006Universität Duisburg-Essen

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Schwingungsbelastung auf dem Rennrad

Bei Rennrädern hat sich in den letzten 100 Jahren technisch viel getan und auf der anderen Seite sehr wenig. Wenn es um neue Verfahren, Materialien, Mechaniken, Bedienelemente geht, hat sich besonders in den letzten 20 Jahren enorm viel getan. Was aber den Komfort und die Sicherheit betrifft können sehen wir Fortschritt wie Rückschritt. Zum Beispiel haben sich die Sättel enorm verbessert, wobei die Eigenschwingung der Rennräder durch hohe Verwindungssteifigkeit auch in vertikaler Richtung enorm hart geworden sind. Ein alter Stahlrahmen mit dünnen schweren Rohren war halt in alle Richtungen weich. Die Bedeutung der Eigendämpfung des Rahmen ist wichtig,und bei einem Rennrad spürbar, weil die Reifen meist nur 23 mm breit sind und auf 8 bar gebrachtwerden. Autos und Cityfahrräder haben im Vergleich dazu meist 2,5 bar bei wesenlich mehr VolumenEin Rennrad ist dazu gemacht, möglichst schnell von A nach B zu kommen und wird auch nie zu einem bequemen Citibike mit aufrechter Sitzposition und aktiver schwerer Federung werden. Die Formen des Rennrades sind weitestgehend aus sportlicher Sicht festgelegt und unterliegen einem definierten Reglement, welches unter anderem aktive Federelemente bei Profirennen untersagt. Viele Hobbyfahrer orientieren sich aber an den Profis, was das Material betrifft. Wenn also über Lösungen im Bereich Schwingungsreduktion nachgedacht wird, müssen die sportlichen bzw. die des Reglements mitberücksichtigt werden. Schwingungskomfort ist unter diesen Voraussetzungen für die Fahrradindustrie eines der großen Ziele. Viele große Fahrradhersteller (z.B. Scott, Cannondale, Giant, Colnago) haben für dieses sinnvolle Ziel des Öffteren den UCI (Reglement Verband) öffentlich für seine konservativen Ansichten kritisiert. Dieses war in in erster Linie aus sportlicher und nicht aus Komfortsicht.

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Problematik Straßenzustände

Auf vielen Strecken herrschen katastrophale Straßenzustände. Bei den harten Rennrädern ist das eine bedenkliche Zumutung. Auf dem großen Bild sieht man z.B. einen kurzen Ausschnitt aus dem Rennen Paris-Roubaix, welches über 250 km Kopfsteinpflaster führt und als weltweit härtestes Eintagesrennen gilt (härter als Bergrennen-/etappen). Hobbyradler, die was auf sich halten, fahren diese Strecke freiwillig privat oder in Hobbyrennen nach.

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Problematik Sportlichkeit

80 kg

8 kg

Rollwiderstand erhöht sichdurch schlechte Dämpfung

Muskulatur ermüdet schnellerbei dauerhafter Schwingung

Beanspruchung von Rücken

Schwingung lenkt Konzen-tration auf Unwesentliches

Um optimal zu fahren muss sichder Fahrer wohlfühlen

Wenn der Fahrer wie hier 80 kg wiegt, muß bei ungedämpften Rädern das gesamte Gewicht vertikal nach oben gedrückt. Bei einer perfekten Dämpfung dagegen gelangt diese Kraft erst gar nicht zum Fahrer, so dass der Rollwiderstand je nach Strecke sinkt und vor allem geringere Ermüdungserscheinungen auftreten.

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Einwirkrichtung der Schwingung

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Beim Fahrrad gibt es drei Einwirkstellen. Hierbei handelt es sich um den Lenker (Hände), Pedale (Füße) und Sattel (Gesäß). Von hier aus werden die Schwingungen über den ganzen Körper verteilt. Der Sport gibt eine bestimmte Sitzposition und somit auch die Einwirkrichtung vor. Von daher sollte besonders darauf geachtet werden, dass Schwingungen unterbunden werden.

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Schwingung allgemein

r

Die Schwingung ist von verschiedenen Faktoren abhängig:

Schwingweg (Maßeinheit m) : Komponente der Auslenkung des schwingenden Masseteilchens,Schwinggeschwindigkeit (Maßeinheit m / s) : Geschwindigkeit des schwingenden Masseteilchens zu einem bestimmten Zeitpunkt,Schwingbeschleunigung (Maßeinheit m / s2) : Änderung der Schwinggeschwindigkeit in der Zeiteinheit. Sie wird für die Bewertung und Grenzwertfestlegung verwandt.Frequenz (Maßeinheit Hz) : Anzahl der gleichsinnigen Umkehrungen der Schwingrichtung in der Sekunde. Für Ganzkörpervibration ist unter arbeitsmedizinischen Aspekten der Bereich von 1 bis 80 Hz, für Teilkörperschwingungen von 8 bis 1000 Hz von Bedeutung.

Bei der Belastung für den den Menschen ist noch Geschlecht, Alter, Anthropometrie, Gesundheitszustand, Art der Arbeit, Einwirkungsstelle(n), Richtung der Schwingungen und mentale Verfassung zu beachten.

Die Schwingungsbelastung setzt sich immer aus messbaren Größen und einer subjektiven Belastung. Beim Fahrrad kann zwar die absolute Schwingung (Stärke, Richtung, Frequenz usw.) gemessen werden, aber in welchem Zustand sich der Fahrer befindet und wie stark die Schwingungsbelastung ist, hängt von viel mehr Faktoren ab. Heute wird zur Schwingungsbelastung meist die ISO 2631 genommen. Bei früheren Messungen findet man noch oft den K-Wert.

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Problematik Reglement

Dreieckige Form

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Radstand

Beim Rennrad sind die Belastungen im Sattel bzw. Hand-Armbereich proportional geringer als bei anderen Fahrrädern. Die absoluten Belastungen können aber je nach Straßenbedingung enorm viel höher liegen. Außerdem ist neben der Einwirkungsintensität auch die Einwirkungsrichtung bzw. -dauer entscheidend. Die Einwirkungsdauer ist auf jeden Fall im allgemeinen höher als mit normalen Fahrrädern. Nicht selten legen Hobbyradler 10.000 km und mehr im Jahr zurück, während der deutsche Schnitt bei 400 km pro Jahr liegt

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Schwingungsauswirkungen allgemein

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Verstärkte Ermüdbarkeit, Verminderung der Leistungsfähigkeit, insbesondere Konzentrationsschwäche und Beeinträchtigung der feinmotorischen Koordination, Verschlechterung der Sehschärfe durch die Bewegungsunruhe des auf die Netzhaut projizierten Bildes, Beeinträchtigung des Wohlbefindens bis zur Empfindung der Unerträglichkeit der einwirkenden Schwingungen oder gar Schmerzen in bestimmten Körperabschnitten oder Organen. Inwieweit aus der chronischen Einwirkung ein Gesundheitsrisiko resultiert, wird durch zusätzliche Faktoren wie parallel vorkommende körperliche Schwerarbeit unter Zwangshaltungen, dispositionelle Momente, Vorschädigungen und Alterseinflüsse mitbestimmt.

Befindensstörungen (reversibel)

Allgemeines Unbehagen

Kopfschmerzen

Atemnot / Preßatmung

Schmerzen im Brustraum

Sprachstörungen

Sehstörungen

Rektale Reizzustände

Blasenreizung

Frequenzbereich [Hz]

1 – 20

8 – 18

1 – 18

3 – 10

6 – 20

20 – 100

9 – 16

9 - 18

Bei vorzeitigen Abnutzungserscheinungen im Bereich der Lendenwirbelsäule und wirbelsäulenbedingten neurologischen Erkrankungen kann es gerechtfertigt sein, einen Zusammenhang mit der Exposition zu vermuten.Das Auftreten von Erkrankungen des Magen- Darm-Traktes und des peripheren Kreislaufsystems wird in der Literatur erwähnt. Der Zusammenhang ist nicht genügend gesichert. http://arbmed.med.uni-rostock.de/lehrbrief/physik.htm#GKV

Links zm Thema Schwingung :http://www.physik.uni-oldenburg.de/aku/literatur/Baumann/348_Baumann_etal.pdfhttp://www.uni-oldenburg.de/fafo/schwi.htmlhttp://www.ruhr-uni-bochum.de/rubin/rbin2_95/rubin6.htm

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Problematik durch das Reglement

Dreieckige Form

Hauptrahmen durch 4 Rohr-verbindungen, die in einem definierten Längenverhältnis und Winkel zueinander abgestimmt sind

Raddurchmesser

Rahmengewicht min. 6.8kg

Radstand

Bei der UCI (Union Cycliste International), die das gesamte professionelle Renngeschehen reglementiert, ist auch sehr genau beschrieben, wie die Räder auszusehen haben. Es soll der Chancengleichheit dienen, bremst aber auch sehr stark die Inovationen im technischen sowie ergonomischen Bereich.

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Kriterien eines guten Rennrades

80 kg

8 kg

Komfort ist das einzigeundefinierte Kriteriumund bezieht sich in diesem Fall auf dieSchwingungs- bzw. Stoßbelastung. Entscheidend dafür sind Faktoren wie Härte des Lenkers, Sattel und vor allem Rahmen, Gabel und Reifen. Schwingungskomfort ist wiederum in viele Kriterien aufgeteilt.

Hier noch ein paar Links zum Thema Schwingungskomfort:

http://www.physik.uni-oldenburg.de/aku/literatur/Baumann/348_Baumann_etal.pdfhttp://www.uni-oldenburg.de/fafo/schwi.html

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Kriterium: Tretlagersteifigkeit

80 kg

8 kg

Die Verwindungssteifigkeit im Tretlagerbereich ist von großer Bedeutung was die Krafteffizienz betrifft. Je Verwindungssteifer derTretlagerbereich ist, umso weniger Kraft wirddurch die Verwindung imRahmen verschenkt. Als Faustregel kann man sagen, das bei einem Diamantrahmen (klassischeForm) die Härte mit der Tretlagersteifigkeit steigt.Daher sind die Rahmen, die in den letzten Jahrenentstanden sind nochmalum einiges härter geworden. Die Eigendämpfung des Rahmens ist heute fast garnicht mehr vorhanden.

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Kriterium: Lenkkopfsteifigkeit

80 kg

8 kg

Verwindungssteifigkeitim Lenkkopfbereich erhöht die Fahrsicher-heit und bestimmtneben der Geometriedie Kontrollierbarkeit des Rades enorm.Gleiches gilt für dieGabel.

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Kriterium: Geometrie

80 kg

8 kg

Die Geometrie wird durch die Längenverhältnisse bzw. Winkel zueinanderbestimmt. Daraus ergibt sich, welches Fahrgefühl vermittelt wird wie bequem das Rad ist und wie die Aerodynamik ist. Im hoch-preisigen Segment ist esnicht unüblich sich den Rahmen maßschneidern zu lassen. Dieses ist auchsinnvoll, da jeder andersgebaut ist und etwas anders fährt.

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Kriterium: Gewicht

80 kg

8 kg

Das Gewicht istausschlaggebendfür Handling undForttrieb. Geradein den Bergen ist es einwichtiges Kriterium,da man Gewicht in vertikaler Richtung spürt. Bei Hobbyradlern wird der Gewichtsfaktoraber auch oft über-berwertet. Nachwievorist das körpereigene Gewicht das wichtigste

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Komfort an der Sattelstütze

80 kg

8 kg

Beim Sattel muß daraufgeachtet werden, dassder Sattel seine Richtung behält.Durch die Konstruktion der Sattelstütze ist von einem enormen Mehr-gewicht von 300- 400gauszugehen. Problematischer ist allerdings, dass sich der Abstand zwischen Sattel undPedal verändert.

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Komfort an der Gabel

80 kg

8 kg

Guter Ansatz, der allerdings nur wenig bringt, was die Schwingungs-dämpfung betrifft. Da auf den Felgen gebremst wird, darf der Federweg nur minimal ausfallen

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Komfort an der Gabel

80 kg

8 kg

Headshock Gabeln, beidenen sich das Dämpfungselement indem Gabelschaft befindet. Diese arbeiten sehr gut und sind auch für Rennrad-bremsen geeignet.Dämpfersystem fährtjedoch immer mit der voller Masse mit, egalob man Dämpfung möchte oder nicht.

Cannondale

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Komfort an der Gabel und Sattelstütze

80 kg

8 kg

Elastomere

Hierbei handelt es sich um einen der vielen Versuche, das Rennrad komfortabler zu machen: indem man Geleinlagen in Aussparrungen angebracht hat. Außer einem etwas höheren Gewicht und geringerer Verwindungssteifigkeit brachte dieses keine messbaren Veränderungen.

Specialized

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Dämpfungskomfort am Mounainbike

80 kg

8 kg

Umlenker mit aktivemDämpfersystem sind am Rennrad gemäß UCI-Richtlinien nichtfür das Rennrad zulässig und bringenleider auch ein deutlichesMehrgewicht mit sich.

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Hinterbaudämpfung am Rennrad

80 kg

8 kg

Durch den Flex in den Titanrohren wird auf ein Lager an der Antriebsschwinge verzichtet. Problematischer siehtes beim eingelassenen,direkt angesteuertenDämpfer aus, da sich dieser durch fehlendeLageranlenkpunkteverkantet und somit einhohes Losbrech-moment hat.

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Hinterbaudämpfung am Rennrad

80 kg

8 kg

Hier ebenfalls ein klassischer Rahmen, der ohne definiertes Lager auskommt und die Flexibilität der Kettenstrebe ausnutzt. Ob dies auf Dauer bei Alu gut geht, kann nur die Zeit zeigen. Im Moutain Bike-Bereich gibt es aber auch das Ganze mit Carbonschwinge, was ja praktisch ermüdungsfrei ist, im Gegensatz zu Alu.

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Hinterbaudämpfung am Rennrad

80 kg

8 kg

Durch das Elastomerist das statische Drei-eck unterbrochen, waszu einer mangelnden Verwindungssteifigkeit im Tretlagerbereich führen muss. Die Sattel-strebe stabilisiert das Hinterrad seitlich enorm,da so Torsion verhindertwird. Beim vollgefedertenMountainbike ist von daher oft ein filigranwirkender Vierlenker-Hinterbau viel verwindunssteifer alsein Einlenker.

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Triathlonbikes

Nach UCI nicht zulässig. Durch das Weglassen des Sattelrohres etwas bessere Aerodynamik und etwas mehr Komfort. Dafür dürfte die Statik nicht günstig sein. Im gegensatz zu den Freischwingern zu wenig signifikante Vorteile, die die schlechtere Statik rechtfertigen. Hat sich nicht einmal bei Triatlethen durchgesetz.

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Triathlonbikes

Triathlonbikes sind nach UCI nicht zulässig, was Triatlethen aber nicht stört, denn sie erfreuen sich dort großer Beliebtheit wegen des Schwingungskomforts und der guten Aerodynamik. Gerade auf langen Marathons wie Hawaii schätzen die Fahrer den Komfort aus rein sportlicher Sicht, weil die Konstruktion sie weniger schnell ermüden lässt. Das halbe Kilo an Mehrgewicht gegenüber Highend Diamantrahmen (Klassische Rahmenform) nimmt man hier gerne in Kauf. Leider sind solche Rahmen schwer zu verkaufen, da sich der Hobbyradler an den reinen Radsportprofis orientieren, auch wenn sie solche im Gegensatz zu den Radsportprofis fahren dürfen.

http://www.carbonsports.de/CS_Ueberblick.lasso