Shimano Biopace ® Kettenblätter
Set der Erfindung des Kettenschaltungsantriebs für Fahrräder existierte die Möglichkeit, nicht kreisrunde Kettenblätter zu nutzen, um die Hebelübersetzung (Übersetzung) abhängig von dem Stand der Kurbel zu einem bestimmten Zeitpunkt zu variieren. Dazu gab es grundsätzlich zwei unterschiedliche sich widersprechende Ansätze:
Klassische elliptische Kettenblätter
Zur Jahrhundertwende vom 19. ins 20. Jahrhundert, kurz nachdem das kettengetriebene Fahrrad entwickelt wurde, kam jemand auf die tolle Idee, elliptische Kettenblätter zu bauen. Die Idee dahinter war, dass der größere Radius des Kettenblatts die Kette mitzieht, wenn die Kurbeln horizontal zum Boden stehen und der kleinere Radius die Kette antreibt, wenn die Kurbeln vertikal stehen.
Die Theorie war, dass man effizienter pedaliert, wenn die Kurbeln horizontal stehen, und man so in eine höheren Übersetzung fahren kann. Wenn die Kurbeln vertikal stehen, hat man effektiv eine kleinere Übersetzung, weil der anliegende Radius des Kettenblatts, kleiner ist. Die geringere Übersetzung ist leichter zu treten und man kommt um den Totpunkt leichter herum. Auf dem Papier sieht das großartig aus, funktioniert in der Praxis aber eher schlecht.
Das Hauptproblem dieses Designs ist die Tatsache, dass es die Knie der Fahrer verletzt. Die hohe Übersetzung bei horizontaler Kurbelstellung ermutigt die Fahrer, härter zu treten. Wie wir wissen, ist das Drücken bei zu hoher Übersetzung schädlich für die Knie. Zusätzlich bedeutet die geringere Übersetzung bei vertikaler Kurbelstellung, dass die Knie sich besonders schnell bewegen müssen, wenn sie die Richtung von oben nach unten oder umgekehrt ändern. Dieser "Peitschenschlag-Effekt" führt dazu, dass die meisten Fahrer elliptische Kettenblätter schnell wieder abschaffen. Seit die Kettenschaltung erfunden wurde, wurden elliptische Kettenblätter alle 10 bis 15 Jahre immer wieder neu erfunden und wieder verworfen.
Biopace
Biopace sind patentierte unrunde Kettenblätter, deren Design von Shimano stammt und von Shimano hergestellt und lizensiert wurde. Oberflächlich betrachtet ähneln Biopace Kettenblätter elliptischen Kettenblättern (siehe oben). Bei näherer Betrachtung ist das Design gegensätzlich zu klassischen elliptischen Kettenblättern. Als Produkt aus extensiver Forschung und CAD Prozessen ist der kleinere Radius bei horizontaler und der große Radius bei vertikaler Kurbelstellung erreicht. Das wurde so umgesetzt, weil das Biopace Design sich an dynamischer Analyse der Bewegung und dem Impuls sich bewegender Kurbeln und Beine orientiert. Das ist anders als die statische geometrische Analyse, die zur Entwicklung klassischer elliptischer Kettenblätter führte.
Die Theorie lautet, dass während des Kraftwegs, wenn die Kurbeln mehr oder weniger horizontal stehen, nutzt man die Kraft der Beine, die Füße zu beschleunigen, was durch die geringere Übersetzung in diesem Teil der Kurbelbewegung leichter funktioniert. Der Impuls der Füße trägt einen über den Totpunkt bei nahezu vertikaler Kurbelstellung. Da der Fahrer hier nicht so kräftig tritt wie in der Kraftphase der Kurbelumdrehung und die Füße langsamer sind, wenn sie die Richtung wechseln, ist das Biopace Design sanfter zu den Knien als vollständig runde Kettenblätter.
Obiges Bild zeigt 48-38-28 Zähne Biopace Kettenblätter einer Dreifachkurbel. Man beachte, dass der kleinste Durchmesser in einem rechten Winkel zur Kurbel steht, so dass die Kurbel sich am schnellsten bewegen, wenn die Kurbeln horizontal - in der Mitte Bewegung mit der höchsten Kraft - stehen.
Geeignete Einsatzgebiete
Biopace Kettenblätter sind vor allem für Reiseradler und Zeitfahrer oder jegliche Form des Fahrens, die einen gleichmäßige und recht konstante Kadenz erfordern, passend Sie ermöglichen gesünderes und effizienteres Pedalieren bei geringen Kadenzen als bei runden Kettenblättern. Besonder geeignet sind sie für Triathleten und Mountainbiker. Triathleten profitieren, weil der Bewegungsablauf minimal näher am Laufen ist und den Übergang zum Laufen erleichtert.
Mountainbiker profitieren insbesondere, weil das Biopace Design die Kraftübertragung auf das Hinterrad glättet. Beim Klettern auf losem Untergrund, ist oft Traktion der limitierende Faktor. Das Hinterrad tendiert während des höchsten Kraftaufwands in der Pedalumdrehung zum Durchrutschen, so dass der Großteil der Energie des Fahrers verschwendet wird. Das Biopace Kettenblatt wirkt wie eine Art Speichergerät, welches Energie in der Hauptkraftphase der Kurbelumdrehung speichert und die aufgesparte Kraft in der Totphase (Kurbeln nahezu Vertikal) an das Hinterrad ausgibt. Die gleiche Menge Energie wird auf das Hinterrad abgegeben, aber das passiert gleichmäßiger mit weniger pulsierendem Fluss. Das Fahrrad kann sich mit gleichmäßigerer Geschwindigkeit bewegen. Die gesamte Energie kann genutzt werden, das Fahrrad vorwärts zu treiben, ohne das Leistungsspitzen auftreten, die zum Durchrutschen des Hinterrads oder zum Abheben des Vorderrads führen können.
Ein Fahrradfahrer kann einen ähnlichen Effekt erzielen, indem er sich zurück lehnt, um das Fahrrad zu beschleunigen, wenn die Kurbeln vertikal stehen und sich dann vorwärts lehnt, während er die meiste Kraft bei horizontaler Kurbelstellung aufbringt. Diese "Taubengang"-Technik ist wenig effizient und man wird sie bei bei hohen Kadenzen nicht durchhalten können.
Kadenzthemen
Die Biopace Vermarkter hatten in Ihrer Einschätzung einen entscheidenden Fehler: Zu viele Informationen. Insbesondere erwähnten sie, dass das Biopace Design für Kadenzen um die 90 UPM und weniger optimiert sei. Viele Leser interpretierten hieraus, dass Biopace bei höheren Kadenzen stören könnte. Diese Wahrnehmung erzeugte eine Art selbsterfüllende Prohpezeihung und es entstand das allgemeine Wissen, dass Biopace aus diesem Grund schlecht für Leistungssportler sei. Sheldon Brown selsbt glaubte daran, fuhr aber dennoch Biopace Kettenblätter, weil er deren Vorzüge schätzte.
1989 führt Shimano eine neue Variante Biopace HP (High Performance) ein, die noch runder als das ursprüngliche Biopace Design war. Sie wurde an Fahrradfahrer vermarktet, die in Gruppen fahren und Klickpedale nutzen. Das erzeugte aber keine Wende in der Marketingproblematik.
Neben anderen Fahrrädern hatte Sheldon Biopace Kettenblätter auch an Fixed Gear Maschinen verbaut, bei denen hohe Kadenzen bergab sehr verbreitet sind. In der Praxis hatte er keine Verschlechterungen beim spinnen mit Biopace Kettenblättern bemerkt. Falls überhaupt konnte er schneller spinnen, ohne im Sattel zu hüpfen.
Dies ist der Grund: Während die Füße sich im Kreis bewegen, gehen die Beine im Wesentlichen auf und ab während einer Hin- und Herbewegung. Bei Biopace Kettenblättern erhöht sich die Beingeschwindigkeit in der Mitte der Bewegung (Kurbeln horizontal) und langsamer am oberen und unteren Ende der Bewegung (Kurbeln vertikal).
Die langsamere Bewegung oben und unten bedeutet, dass das Bein die Richtung von auf- zu abwärts ändert (oder umgekehrt) bei einer leicht langsameren und geschmeidigeren Geschwindigkeit. Die erhöhte Beingeschwindigkeit in der Mitte der Bewegung ist das Ergebnis einer mehr graduellen Beschleunigung/Verlangsamung während sich die Beine in die gleiche Richtung weiterbewegen. Das Hüpfen im Sattel leitet sich zumeist von Schwierigkeiten her, die Richtung der Beinbewegung zu wechseln und nicht von der Geschwindigkeit in der Mitte der Bewegung. Von daher ist Biopace freundlicher zum Knie und unterstützt Dich dabei, schneller zu kurbeln, ohne im Sattel zu hüpfen.
Biopace und Fixed Gear
Kurbelsätze von Sheldon Browns Biopace Piccio Fixed Gear Tandem
Beide Kurbelsätze haben die gleiche Bewegungsausrichtung, die durch das Hauptantreibskettenblatt synchronsisiert wird.
Die gleichausgerichteten Biopace Kettenblätter entlang der Synchronkette haben keinen Effekt.
Manche Leute sind recht erstaunt, wenn Sie hören, dass Sheldon Bioppace kettenblätter an Fixed Gear Fahrrädern fuhr. Sie erwarten, dass es deutliche Unterschiede in der kettenspannung geben müsse, während die Kettenblätter rotieren. In der Praxis ist das nicht der Fall. Ein 42-Zähne-Kettenblatt erfasst mit 21 Zähnen 21 Rollen der Kette völlig unabhängig von der Form des Kettenblatts.
Es gibt eine minimale Varianz in der Spannung, die aus den variablen Winkeln zwischen den beiden geraden Kettensträngen während der Kettenblattrotation entstehen. Die Magnitude ist aber nicht ausreichend im im Allgemeinen irgendein Problem zu verursachen.
Verfügbarkeit
Biopace Kettenblätter werden nicht länger hergestellt. Man kann sie jedoch an vielen Fahrrädern der 1980er und frühen 1990er Jahre finden. Biopace Kettenblätter tauchen immer noch in größerer Stückzahl auf eBay auf.
Für den 100 mm Lochkreisdurchmesser wurden Kettenblätter mit den Zähnezahlen 50, 48, 46, 44, 38 und 36 hergestellt; beim 74 mm Lochkreisdurchmesser gab es Zähnezahlen von 28 und 26. Die Kettenblätter waren im Allgemeinen bei Dreifachkurbeln verbaut. Die Kettenblätter mit 74 mm Lochkreis wurden nur bei den ganz innen liegenden Kettenblättern der Dreifachkurbel hergestellt. Man kann jedoch das äußerste Kettenblatt durch einen Kettenschutz/Schutzscheibe (wie ein zahnloses Kettenblatt) ersetzen, um eine Zweifachkurbel mit großem Sprung zu bauen.
Für den 130mm Lochkreisdurchmesser wurden Zähnezahlen von 53, 52, 42 und 40 hergestellt (jedoch ausschließlich aus Stahl). Sie fand man bei Renneradkurbeln (Zweifachkurbel). Manche dieser Kurbeln hatten einen äußeren Lochkreisdurchmesser von 130 mm und einen inneren Lochkreisdurchmesser von 74 mm. Nur wenige Umwerfer hatten jedoch einen ausreichende Kapazität um eine 52/28 Zähne-Biopace-Kettenblattkombination bedienen zu können.
Biopace Kombinationen
Die üblichen Kombinationen ab Lager bei Biopace Kettenblättern waren 48-38-28 oder 46-36-26 bei Dreifachkurbeln und 52-42 bei Zwiefachkurbeln. Als eine mögliche Halbschritt-Schaltungs-Kombination mit Rettungsring wäre 50-46 oder 48-44 für die beiden äußeren kettenblätter und 28 oder 26 Zähne beim inneren Kettenblatt möglich. das passt gut mit einer 11-13-16-19-23-28-34 Kassette zusammen. Das ist allerdings eine selbstzusammengestellte Kombination.
Ein Dreifach-Umwerfer muss mit großen Sprüngen eingesetzet werden, während man Zweifach-Umwerfer mit Halbschritt Kombinationen benutzen kann. Wegen der Varianz im Durchmesser der Kettenblätter muss der Umwerfer etwa vier Zähne mehr Kapazität aufweisen als bei runden Kettenblättern und sollte für das große Kettenblatt nach Spezifikation für zwei mehr Zähne ausgelegt sein, als das größte Biopace-Kettenblatt tatsächlich hat.
Biopace Kettenblätter und Kurbeln wurden für Siebenfach- und Achtfach-Systeme hergestellt, funktionieren aber tadellos mit eine Neunfach-Kette.
Orientierung
Bei der Montage von Biopace-Kettenblättern sollte die Orientierung im Allgemeinen beibehelaten werden. Jedes Biopace.Kettenblatt hat eine "Indexierungs-Markierung". Das ist meistens ein kleiner Vorsprung, der nach innen in Richtung Zentrum des Kettenblatts gerichtet ist.
Bei einem normalen Aufrechten Fahrrad, sollte die Markierung hinter der rechten Kurbel verborgen sein. Bei Spezialaufbauten mit einem Adapterring kann es notwendig sein, die Markierung direkt gegenüberliegend zur Kurbel zu montieren.
Bei Liegerädern sollte das Kettenblatt um eine Schraubenposition vorwärts gedreht werden.
Biopace und runde Kettenblätter mischen
It is possible to mix Biopace and round chainwheels on the same crankset, but I [Sheldon] would not recommend it. When chainwheels are mixed, it is usually a small Biopace with a large round ring. The idea is to take advantage of the Biopace's superior climbing performance at low RPM's, and have the big round ring for descending and spinning fast.
The problem is that Biopace rings are more comfortable at low RPM's, and round rings at high RPM's. When you shift from a small Biopace ring to larger round ring, you go from a fast cadence on the Biopace to a slower cadence on the round ring--just the opposite of what is wanted. I have tried this arrangement on both a road bike and a mountain bike, and found it extremely irritating. Due to the need to work well with a front derailer, the large Biopace rings have less "Biopace effect" in any case: the variation in diameter the same, but this is a smaller percentage of the total diameter.
Large Biopace/small round makes even less sense. If you like the large Biopace, you will like a small one too. The only reason I can think of for setting up a bike this way is if you need a lower low gear than you can get with Biopace. For instance, the smallest Biopace for the 74 mm bolt circle is a 26, but you can get a 24 tooth round ring in that size. For the 110 mm bolt circle the limit is 36 teeth Biopace vs. 33 teeth round; for the 130 mm bolt circle, 40 teeth Biopace, 38 teeth round.
You can usually lower the bottom gear by installing a larger rear sprocket instead.
Eine Biopace Geschichte
I [John Allen] bought a Bike Friday travel bike at the factory in Eugene, Oregon in September, 2005. At Portland International Airport, the TSA's x-ray machine ejected the bicycle in its carrying case like a baseball from a pitching machine, to smash into into a rigid barrier at the bottom of a chute.
When I unpacked the bike at home, the chainwheel was bent. I replaced it with a Biopace chainwheel I had on hand.
In early 2006, I attended a winter training camp in Arizona run by legendary transcontinental record-setting cyclists Lon Haldeman and Susan Notorangelo. For a very short time on one of the rides, Lon was drafting behind me. Really! Mostly, he hung in there so he could exclaim about my bicycle. "You're riding Biopace!"
I replied apologetically, "it works OK for me, and it's what I had in my parts stash."
Lon replied, "Pete Penseyres and I did our transcontinental tandem ride in 1987 with all Biopace."
(Lon, ever modest, didn't mention that they set a record, 7 days, 14 hours, 55 minutes, which still stands as of 2014.)
A couple of years ago, I added a 28-tooth Biopace chainring, using the previously unoccupied 74-mm bolt circle of the Bike Friday's crankset. I haven't contrived a front derailer yet to work with the Bike Friday's unusual frame, so I have to shift the chain manually. That's OK because, thanks to the bicycle's small wheels, I only need to use the 28T chainring for very steep, long climbs. It has taken me to the summit of Mt. Wachusett, here in Massachusetts, at age 65, without walking, spinning all the way!
Fazit
[Sheldon here.] Biopace chainwheels were made by Shimano and were also made under license by some other manufacturers. The shape of genuine Biopace chainwheels is not a simple ellipse, but a more complicated shape which Shimano described as a "point-symmetric egg curve." Other crankset makers have made similar designs, generally of simpler shape (pure elliptical) but oriented in a similar manner to Biopace chainwheels. Examples are SR's "Ovaltech" and Sugino's "Cycloid."
Non-round chainwheels remain controversial, especially among racers who think that everyone should ride racing bikes, but, in my opinion, they are of real value for the vast majority of non-racing cyclists.
Quelle
Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Biopace Chainwheels von der Website Sheldon Browns. Originalautor des Artikels ist Sheldon Brown. Ergänzungen stammen von John Allen.
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