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Cantilever Geometrie

Dieser Artikel ist einer von mehreren, die sich mit der Cantileverbremse beschäftigen. Wenn Du nur auf der Suche nach einer Anleitung bist, wie Du Deine Cantilever Bremse oder V-Brake vernünftig eingestellt bekommst, lies die Artikel, die bei Die richtige Bremse für mein Fahrrad verlinkt sind oder lies den Artikel Das 1x1 der Felgenbremsen. Dieser Artikel hier beschäftigt sich eher mit theoretischen Aspekten der Cantilever Geometrie.

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Aufbau der Cantilever Bremse

Vor den 1980er Jahren waren Cantileverbremsen unheimliche und exotische Ausrüstungen. Man fand sie zumeist nur an teuren Tandems oder sehr hochwertigen Tourenfahrrädern Sie waren sogar noch seltener als Dreifachkurbeln. Die Zeiten haben sich geändert und, was früher nur finanzstarken wissenden Fanatikern vorbehalten war, wird heute sogar bei Baumarktfahrrädern eingesetzt.

Nichtsdestotrotz scheint ein wenig Mysterium bei Cantileverbremsen geblieben zu sein. Dieser Artikel will ein wenig das Mysterium lüften und helfen, dass das Einstellen der Cantileverbremsen leichter von der Hand geht, weil Du die wesentlichen Details der Geometrie verstehst, die der Funktion von Cantileverbremsen zugrunde liegen.

Im Speziellen wird die Frage angesprochen, wie lang der Querzug sein muss, bzw. anders ausgedrückt, wie niedrig der Querzugträger montiert werden kann. Bei den meisten Cantileverbremsen hat der Mechaniker relativ freie Wahl, wie das Zugsystem montiert wird. Das hat bedeutenden Einfluss darauf, wie gut die Bremse funktionieren wird. Das trifft insbesondere auf die Low Profile Bremse zu.

Hebelübersetzung

Man kann Fahrradbremsen nicht verstehen, ohne Hebelgesetze zu verstehen.

"Hebelübersetzung" bzw. "Hebel" bezeichnet das Verhältnis zwischen der Kraft, die man aus dem einen Ende eines Angelpunkts erhält, wenn man eine bestimmte Kraft auf der anderen Seite ausübt. Man könnte vereinfacht sagen, dass die Hebelübersetzung das Kräfte- und Entfernungsverhältnis ist.

Stelle Dir einen einfachen Hebel mit einem Ankerpunkt (Gelenk) ungefähr bei 1/3 der Gesamtstrecke vor (s. Bild).

 

Seite B ist zweimal so lang wie A. Die Hebelübersetzung beträgt 2:1 (oder 1:2, je nach Sichtweise).

Seite B wird sich zweimal so weit bewegen wie Seite A, aber man benötigt auch auf Seite A zweimal so viel Kraft, um das Gewicht von Seite B anzuheben.

Des Pudels Kern erreicht man durch Ändern des Hebels (z.B. durch das Bewegen des Ankerpunkts). Dabei werden sowohl die aufzuwendende Kraft als auch Bewegungsspielraum gleichzeitig verändert. Sie sind sozusagen beide auf der gleichen Seite der Medaille. Man kann das Kräfteverhältnis nicht ohne das Entfernungsverhältnis ändern.

Bei Fahrradbremsen ist die Hebelübersetzung des Systems das Verhältnis der Kraft, die auf die Felge aufgebracht wird, und der aufzuwendenden Kraft, die die Finger dafür am Bremshebel ausüben müssen. Wenn also ein bestimmtes Bremssystem eine Hebelübersetzung von acht hätte, würde das drücken des Bremshebels mit fünf Kilogramm, eine Gewicht von rund 40 Kilogramm auf die Felge drücken. (Tatsächlich etwas weniger als 40kg, weil man noch Reibungsverluste einrechnen müsste. Diese werden aber zur Vereinfachung in diesem Artikel ignoriert, weil sie für das Gesamtverständnis nicht wichtig sind.)

Die Hebelübersetzung kann auch aus der Perspektive von Wegeverhältnissen betrachtet werden. Eine Bremse mit hoher Hebelübersetzung bringt mit sehr wenig Handkraft am Hebel sehr viel Kraft über den Bremsschuh auf die Felge auf. Auf der anderen Seite muss man den Bremshebel sehr weit bewegen, um die Bremsschuhe das kurze Stück bis zur Felge zu bewegen. Bei zu hoher Hebelübersetzung trifft der Bremshebel schon den Lenker, bevor die Brenmsschuhe auf die Felge treffen. Wenn man die Bremsschuhe so eng einstellt, dass der Bremshebel nicht den Lenker berührt, kann es passieren, dass beim Loslassen des Bremshebels, die Bremsschuhe nicht mehr weit genug auseinanderbewegt werden, um sich von der Felge zu lösen.

Bei Zangenbremsen ist die Hebelübersetzung durch den Hersteller fest vorgegeben. Man kann sie nicht ändern, außer man tauscht Zangen, Hebel oder die Reifengröße aus. Wenn man kleinere Reifen montiert, muss man die Bremsschuhe weiter nach unten installieren, was die Entfernung der Bremsschuhe zum Ankerpunkt erhöht und die Hebelübersetzung verringert. Wenn man zum Beispiel 622mm (700C) Felgen auf einem Fahrrad benutzt, was für 630mm (27 Zoll) Reifen gebaut wurde, wird die Bremswirkung abnehmen.

Bei Direktzugbremsen wie der V-Brake von Shimano ist die Hebelübersetzung ebenfalls fest vorgegeben. Da sich die Ankerpunkte jedoch unterhalb der Felge befinden, erzeugen kleinere Reifen eine höhere Hebelübersezung - ganz im Gegensatz zu Zangenbremsen. Konventionelle Cantilever-Bremsen erlauben es dem Fahrradmechaniker innerhalb eines gewissen Rahmens, die Hebelübersetzung zu verändern, in dem die Länge des Querzugs und die Höhe des Querzugträgers verändert wird.

Gefühl und Funktion

Bei Bremsen im Automobil ist ein hartes Pedalgefühl ein Zeichen dafür, dass sich die Bremsen in einem guten Zustand befinden. Ein weiches und schwammiges Pedalgefühl ist meistens ein Zeichen für Probleme - zum Beispiel Luft in den Hydraulikleitungen. Bei Fahrradbremsen ist das völlig anders. Ein knackiges und hartes Bremsgriffgefühl spricht eher für eine Bremse mit wenig Hebelübersetzung. Man betätigt den Bremshebel bis die Bremsschuhe die Bremsflanken berühren. Dann ist keine weitere Bewegung möglich. Bremsen mit hoher Hebelübersetzung fühlen sich vergleichsweise schwammig an. Das liegt daran, dass die hohe Hebelübersetzung dafür sorgt, dass die Bremsschuhe auf der Felge durch den hohen Druck zusammengedrückt werden. Das fühlt man im Bremsgriff in den Fingern. Bremsen, die sich steinhart anfühlen, sind eher was für den Montageständer oder für die Ausstellung. Wenn es aber darum geht, das Fahrrad wirklich zu entschleunigen, ist der "schwammige Aufbau" besser. Man benötigt weniger Kraft in den Fingern und hat mehr Sicherheitsreserven bei nassen Bedingungen.

Definitionen

Für diesen Artikel werden ein Abstand, zwei Hebelarme und drei Winkel wie in der Illustration gezeigt, definiert:

Gelenk-Zug Abstand (GZ)

Dies sit die kürzeste Distanz zwischen der Mitte des Gelenks und dem Querzug. Bei Low-Profile Bremsen ist das die Entfernung zwischen Gelenk und der gedachten Linie, die den Querzug verlängert.

Gelenk-Schuh Hebelarm (GS)

Verläuft von der Mitte des Gelenks zu dem Teil des Bremsschuhs, der die Felge berührt. Ist der Lastarm im Sinne des Hebelgesetzes.

Gelenk-Zugklemm Hebelarm (GK)

Verläuft von der Gelenkmitte zum Klemmpunkt am Ende des Querzugs. Ist der Kraftarm im Sinne des Heblegesetzes.

Querzugträgerwinkel

Der Winkel des Querzugs in Bezug auf die Horizontale

Zugklemmwinkel

Der Winkel zwischen dem Verlauf des Querzugs und dem GK (Gelenk-Zugklemm Hebel).

Cantileverwinkel

Der Winkel zwischen GS (Gelenk-Schuh Hebel) und GK (Gelenk-Zugklemm Hebel)

 

Cantilevertypisierung

Traditionelle Cantilever-Bremsen können in drei Kategorien eingeteilt werden, die sich über den Cantileverwinkel definieren:

  • Großwinkelige Cantilever, deren Cantileverwinkel deutlich über 90° liegt (Englisch: Wide profile). Das beste Beispiel hierfür sind die alten Mafac Canitilever-Bremsen, bei denen der Gelenk-Zugklemm Hebelarm (GK) je nach Aufbau sogar abwärts geneigt sein konnte. Diese Art ist inzwischen so gut wie ausgestorben. Diese Wide Profile Bremsen hatten eine sehr geringe Hebelübersetzung und funktionierten ausschließlich mit Bremshebeln, die eine sehr hohe Hebelübersetzung hatten.
  • Rechtwinkelige Cantilever haben einen Cantileverwinkel von um die 90° (Englisch: Mid profile). Die meisten in den späten 1980er Jahren gebauten Cantilever-Bremsen fallen in diese Kategorie. Diese Mid Profile Bremsen sind sehr nachsichtig und bieten bei den meisten Installationen die beste Bremsleistung unter allen Bedingungen.
  • Schmalwinkelige Cantilever haben einen Cantileverwinkel unter 90° (Englisch Low profile). Der Hauptvorteil dieser Kategorie ist der, dass sie nicht so weit seitwärts aus dem Rahmen oder der Gabel herausragen. Das ist auch gewollt, weil weit herausragende Cantilever-Arme können einige Probleme verursachen, wie zum Beispiel, dass hinten die Füße des Fahrers anstoßen können. Auch Low Profile Bremsen können exzellente Bremsleistung bieten - dazu müssen sie aber penibel installiert und eingestellt werden. Schlecht montierte Low Profile Bremsen haben schlechte Bremsleistung, auch wenn es sich am Montageständer zuerst gut angefühlt hat.

Varianten der Cantilever-Bremse fallen in eigenen Kategorien:

Hebelübersetzungen von Cantilevern

Drei separate Faktoren bestimmen die Hebelübersetzung eines jeden Cantilever-Bremsen Systems. Die verfügbare Gesamthebelübersetzung ist das Produkt aus diesen drei Werten (also alle Werte miteinander multiplizieren):

  1. Die Hebelübersetzung des Bremshebels ist der erste Faktor. Seine Hebelübersetzung bestimmt sich durch die Entfernung vom Gelenk des Hebels zum Zugende. Zusätzlich spielt noch die Länge des Bremsgriffs vom Gelenk bis zu dem Punkt, an dem die Finger des Fahrers greifen, eine Rolle. Typische Mountainbikebremsgriffe haben eine Hebelübersetzung von 3,5, veraltete Dropbarbremsgriffe hatten etwa 4 und Aerodropbarbremsgriffe liegen bei ca. 4,5. Bremsgriffe für Direktzugbremsen haben ungefähr 2.
    Shimano Servo Wave ® und Odyssey Bremsgriffe haben eine variable Hebelübersetzung, die ansteigt, je mehr man den Griff zieht.

    Zwei getrennt zu betrachtende Aspekte des Cantilever Systems bestimmen dessen Hebelübersetzung:
  2. Die Hebelübersetzung eines individuellen Cantilevers ist das Verhältnis zwischen der Gelenk-Zug Abstand (GZ) und der Länge des Gelenk-Schuh Hebelarms (GS). GZ ist am längsten, wenn der Zugklemmwinkel 90° ist. Dann liegen GZ und GK auf einer Linie. Manche Autoritäten empfehlen, die Länge des Querzugs entsprechend der Hebelübersetzung zu wählen. Sheldon Brown glaubte, das das eine unnötige Vereinfachung ist. Bei Wide- bzw. Mid-Profile Bremsen steigt die Hebelübersetzung, wenn der Bremsschuh nach innen wandert. Sie steigt also mit zunehmendem Bremsenverschleiß. Bei Low Profile Bremsen nimmt die Hebelübersetzung bei gleichen Bedingungen allerdings ab.
    Die Hebelübersetzung einer typischen Low Profile Cantilever Bremse liegt zwischen 1 und 2. Mid Profile Cantis haben etwas mehr Hebelübersetzung.
  3. Mehr Einfluss auf die Hebelübersetzung einer gut eingestellten Cantilever Bremse (insbesondere bei Low Profile Bremsen) hat der Querzug. Die Hebelübersetzung wird strikt durch den Querzugträgerwinkel bestimmt.
    Die Formel hierfür lautet

    1/sin(Querzugträgerwinkel)

Für diejenigen ohne Rechenschieber zur Hand folgen hier einige vorberechnete Werte:

Winkel Hebelübersetzung
90° 1
80° 1.015
70° 1.063
60° 1.15
50° 1.31
40° 1.55
30° 2
20° 2.92
10° 5.76
5° 11.47
0° Unendlich!

Zwei Werte sind eher theoretischer Natur, weil man sie in der Praxis so nicht verwirklichen kann:

  • Ein 90° Querzugträgerwinkel würde in einem unendlich langen Querzug enden, so dass auf beiden Seiten des Querzugträgers der Zug vertikal nach unten verlaufen würde.
  • Ein 0° Querzugträgerwinkel würde im kürzest möglichen Querzug münden, so dass vom Querzugträger aus der Querzug in einer exakt geraden Linie horizontal wegführen würde.

Wie man der Tabelle entnehmen kann, ist ein kürzerer und horizontalerer Querzug mit einer höheren Hebelübersetzung gesegnet. Dieser Effekt sorgt dafür, dass auch eine Low Profile Bremse eine sehr gute Bremsleistung erzeugen kann.

Spezielle Überlegungen zu Low-Profile Cantilevern

Der vergleichsweise kleine Cantileverwinkel von Low Profile Bremsen sorgt dafür, dass der GK Hebelarm nahezu vertikal steht. Das trifft vor allem bei Mountainbikes zu, die recht weit auseinanderstehende Cantileversockel und schmale Felgen haben. Klassische gute Praxis war es, die Bremsschuhbefestigungsbolzen bis zum Anschlag durch die Befestigungslöcher der Bremsarme zu schieben, so dass die Rückseite der Bremsschuhe mit den Bremsarmen in Kontakt sind. Dadurch wurde die Wahrscheinlichkeit von Schlupf und Quietschen verringert.

Bei Low Profile Cantileverbremsen müssen die Bremsschuhe weiter nach innen - weg vom Bremsarm - positioniert werden, so dass der effektive Cantileverwinkel erhöht wird. Dadurch entsteht ein mehr oder weniger frei schwingendes Stück Schaft zwischen Bremsarm und -schuh. Dieses kann zu erhöhter Tendenz zum Quietschen führen. Das ist jedoch eine der systeminherenten Nachteile von flach profilierten Cantileverbremsen. Den Abstand zwischen Bremsarm und Bremsschuh nur um wenige Millimeter zu erhöhen, kann zu einer dramatischen Verbesserung der Bremsenperformance führen.

Bei anderen Felgenbramsen ist es üblicherweise das Beste, den Abstand zwischen Arm und Schuh so gering wie möglich zu halten, um die Steifigkeit der Bremse so hoch wie möglich zu halten.

Viele neuere Cantileverbremsen ersetzen en klassischen Querzug mit einem Verbindungszug. Dies ist ein Zugführungssystem, das die eine Hälfte des Querzugs ersetzt. Der Hauptzug verläuft durch den Knopf, der als Querzugträger fungiert, und verläuft bis zu einem Bremsarm. Die andere Hälfte des Querzugs ist fest mit dem Knopf verbunden.

Der Knopf hat eine Linie aufgedruckt, die zum Ausrichten des Hauptzugs dient.

Verbidungszüge gibt es normalerweise in fünf Längen:

Kodierung Länge
 
Verbindungszüge unterschiedlicher Längen
S 63 mm
A 73 mm
B 82 mm
C 106 mm
D 93 mm

Wenn man einen klassischen Querzugträger und separaten Querzug durch einen Verbindungszug ersetzt, kann man die Hebelübersetzung an bestimmten Fahrrädern minimal erhöhen. Im allgemeinen funktioniert der Bermsenaufbau an Fabrik so gut wie möglich, wenn man sich an die Anleitung von Shimano gehalten hat.

Da der Querzugträgerwinkel so kritisch für die Hebelübersetzung ist, nimmt diese ab, wenn die Bremse betätigt wird und die Bremsschuhe verschleißen. Der sehr kurze Querzug, der für die hohe Hebelübersetzung bei Low Profile Bremsen notwendig ist, verstärkt diesen Effekt noch. Das rührt daher, dass der Querzugträgerwinkel ansteigt, wenn man die Bremse betätigt. Daher sollten Low Profile Bremsen mit so wenig Bremsbelagabstand zur Felge wie möglich eingestellt werden, wenn man maximale Hebelübersetzung aus diesem Bremsentyp herausholen will.

Direktzugbremsen (V-Brake)

 
Direktzugbremse

Die aktuellste Entwicklung bei Cantilevern sind seit einigen Jahren schon die Direktzugbremsen - den meisten unter der Shimano Marke V-Brake bekannt. Sie ähneln sehr langen Low Profile Cantileverbremsen, haben aber keinen separaten Querzug. Sie sind allerdings Seitenzugbremsen statt Mittelzugbremsen. Ein Arm trägt den Zuganschlag und der Innenzug verläuft von diesem Arm zur Zugklemmschraube am gegenüberliegenden Arm. Direktzugbremsen haben eine sehr hohe Hebelübersetzung, so dass sie möglichst nicht mit konventionellen Bremsgriffen benutzt werden sollten. Wenn man konventionelle Bremshebel bei Direktzugbremsen einsetzt, kann der Bremsvorgang sehr abrupt einsetzen. Die exzessiv hohe Hebelübersetzung kann dazu führen, dass entweder die Bremsschuhe sofort die Felge berühren oder der Hebel am Lenker anschlägt, bevor die Brems zupacken kann - je nachdem wie die Züge eingestellt sind.

Es gibt ein paar Teile auf dem Ersatzteilmarkt, die es möglich machen, konventionelle Bremshebel mit Direktzugbremsen zu benutzen. Sie haben zumeist exzentrische oder doppelte Umlenkrollen, so dass man den Bremszug weiter (aber weniger hart) zieht.

 
Cantilever Bremse mit V-Daptor

Die oben abgebildete Einheit ist ein V-Daptor. In diesem Fall ist er an einer Shimano LX Cantileverbremse montiert und macht so aus einer klassischen Mittelzug-Cantilever Bremse eine Direktzugbremse. Das ist ein geschickter Weg, die Bremsleistung bei vielen Reiserädern und Tandems zu verbessern. Aber leider hat man nicht überall genügend Freiraum, um diese Lösung bei großvolumigen Mountainbikereifen zu installieren. Hier sollte man auf die für diese Zwecke entwickelte Direktzugbremse (V-Brake) zurückgreifen.

Siehe auch

Parallelogramm Koppelung

 
Shimano XTR Bremse mit Parallelogramm Koppelung

Shimanos XTR und XT V-Brakes haben eine spezielle Parallelogramm Koppelung. Diese dient zwei Zwecken:

  • Der Bremsschuh bleibt während der Bewegung und der Lebensdauer des Bremsbelags immer im gleichen Winkel zur Felge ausgerichtet
  • Die Bewegunsgausführung des Bremsschuhs bleibt nahezu horizontal statt des - wie bei anderen Modellen - leichten Bogens, dessen Zentrum im Bremssockel liegt. Das ist ein Vorteil inbesondere für Fahrer besonders breiter Reifen auf schmalen Felgen. Dies verhindert, dass der Bremsschuh aufsteigt und die Seitenwand des Reifens beschädigt. Auch wird verhindert, dass der Bremsschuh unter der Felge hindurchtauchen kann, wenn der Belag verschleißt.

Unglücklicherweise verkomplizieren die zusätzlichen Gelenke den Mechanismus. Das hat häufig Wartungsproblemen zur Folge und kann zu exzessivem Quietschen der Bremse führen.

Hebelübersetzung - Wieviel ist genug?

Im Allgemeinen gilt, dass eine höhere Hebelübersetzung besser ist. Man kann es allerdings auch übertreiben.

 

Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der aufgewendeten Kraft und der Bewegungsdistanz der beteiligten Teile. Bei einer Hebelübersetzung von 8 würde durch 16mm Bewegung des Bremshebels, der Bremsschuhe 2mm näher an die Felge gezogen. Je mehr Hebelübersetzung man hat, desto näher müssen die Bremsschuhe in Ruhestellung an der Felge platziert werden. Bei perfekt zentrierten Laufrädern ist das kein Problem. Bei Laufrädern, die schon ihre besten Tage hinter sich haben, kann das zum Schleifen der Bremsschuhe an der Felge führen.

Es gibt einen legitimen Fall, weniger als die maximal mögliche Hebelübersetzung an der Vorderradbremse einzustellen. Weniger erfahrene Fahrradfahrer könnten das Vorderrad blockieren und sich verletzen. Bei einer Bremseneinstellung mit maximaler Hebelübersetzung hat der Querzug einen flacheren Querzugträgerwinkel. Hier kann es schwierig sein, den Querzug auszuhängen, um das Laufrad ausbauen zu können. Mancher Fahrer bevorzugt dann etwas weniger Bremskraft, um das Laufrad leichter aus- und einbauen zu können.

Bei Reiserädern mit Aero-Bremsghriffen, deren Hebelübersetzung sehr hoch ist, kann die exzessive Hebelübersetzung dazu führen, dass der Bremshebel bereits am Lenker anschlägt, bevor die Bremse zupacken kann. Shimano stellt hierfür einen extrabreiten Querzugträger (s. Bild rechts) her. Man kann den gewünschten Effekt auch dadurch erzeugen, dass man den Querzug besonders lang lässt, außer man hat einen so schmalen Rahmen, dass dafür kein Platz ist.

Das Potenzial der Cantilever Bremsen voll ausschöpfen

Neben der Hebelübersetzung gibt es noch ein paar weitere Aspekte, um die Bremsleistung der Cantilever Bremse zu verbessern.

Wenn man das Gesamtsystem verwindungssteifer macht, kann man die Bremse auch mit mehr Hebelübersetzung einstellen, ohne Gefahr zu laufen, dass der Hebelweg des Bremshebels nicht ausreicht.

  • Züge sollten so reibungsfrei wie möglich sein. Dazu gehört auch, dass die Enden der Zughüllen sauber bearbeitet werden, so dass sie eine feste und stabile Verbindung zu den Zuganschlägen haben. (s. auch Züge)
  • Bremsschuhe für Bremsen mit hoher Hebelübersetzung sollten hart und möglichst starr sein. Sheldon Brown empfahl hierzu gerne die lachsfarbenen Kool Stop Salmon Bremsbeläge, die mit zu den härtesten gehören und einen guten Reibungskoeffizienten haben.
  • Die Bremsschuhe sollten so ausgerichtet sein, dass sie einen guten stabilen Kontakt zur Felge haben. Sie sollten ganz minimal einwärts ausgerichtet werden. Der vertikale Winkel der Bremsschuhe sollte so eingestellt sein, dass die Bremsschuhe die größte mögliche Kontaktfläche auf der Felge haben.
  • Ein Bremskraftverstärker (Brake Booster) kann vor allem an der hinteren Bremse helfen, da die Bremssockel an den vergleichsweise schmalen Sitzstreben sitzen. Diese können sich bei sehr starken Bremsvorgängen nach Außen biegen.

Siehe auch

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Quelle

Dieser Artikel basiert auf dem Artikel The Geometry of Cantilever Brakes von der Website Sheldon Browns. Originalautor des Artikels ist Sheldon Brown.


 

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