Shimano Biopace ® Kettenblätter

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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 Aufkleber

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.

Shimano Biopace 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.

Sheldons Piccio Biopace Fixed Gear Tandem

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.

Ergänzung durch John Allen
Ich habe das selbst versucht, bin aber vom Ergebnis nicht so überzeugt wie Sheldon. Das Ritzel ist wesentlich kleiner als das Kettenblatt, so dass die Kette niemals das Kettenblatt an zwei präzise gegenüberliegenden Punkten erfasst.


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

Grundsätzlich ist es möglich, Biopace- und runde Kettenblätter an der gleichen Kurbeln zu mischen, jedoch riet Sheldon Brown davon ab. Wenn mann Kettenblätter mischt, setzte man üblicherweise ein kleineres Biopace mit einem größeren runden kettenblatt zusemmen. Die Idee dahinter ist, die überlegenen Klettereingenschaften des Biopace-Kettenblatts bei geringen Kadenzen mit den Vorteilen runder kettenblätter bei schnellen Abfahrten und hohen Kadenzen zu kombinieren.

Das Probelm an dieser Stelle ist, dass Biopace Kettenblätter bei niedrigen Umdrehungen komfortabler und runde Kettenblätter bei hohen Umdrehungen komfortabler sind. Wenn man vom kleineren Biopace-Kettenblatt auf das große runde Kettenblatt schaltet, wechselt man von einer hohen Kadenz zu einer niedrigen. Das ist also genau umgekehrt wie erwünscht. Sheldon hat das sowohl am Rennrad als auch am Mountainbike getestet und empfand das sehr irritierend. Damit Biopace bei einem Umwerfer richtig funktioniert, hat das größte Kettenblatt einen kleineren "Biopace-Effekt". Die Durchmesser-Varaianz ist die gleiche, aber im Verhältnis zum Gesamtdurchmesser ist diese geringer.

Große Biopcae/kleine runde Kettenblätter sind noch weniger sinnvoll. Wenn Du ein großes Biopace Kettenblatt magst, wirst Du auch ein kleineres mögen. Der einzige mögliche Grund könnte sein, dass man einen sehr kleinen Rettungsring verbauen möchte, den es nicht in Biopcae-Ausführung gibt. Zum Beispiel ist das kleinste je hergestellte Biopace-Kettenblat für 74 mm Lochkreisdurchmesser 36 Zähne groß. Man kann jedoch für diesen Lochkreisdurchmesser Kettenblätter mit 24 Zähnen kaufen. Die meisten 110 mm Lochkreisdurchmesser-Kurbeln ist 36 Zähne bei Biopcae die Untergrenze und bei runden Kettenblättern 33 Zähne. Bei 130 mm Lochkreisdurchmeser sind es 40 Zähne (Biopcae) zu 38 Zähnen (rund).

Den kleinsten Gang kann man jedoch viel leichter durch ein größeres hinteres Ritzel erreichen.


Ergänzung durch John Allen

Eine Biopace Geschichte

John Allen kaufte sich im Jahr 2005 ein Bike Travel Reiserad direkt in der Fabrik in Eugene, Oregon. Am Protland International Aorport, schoß eine Gepäck-Röntenmaschine sin Fahrrad mit hoher Geschwindigkeit auf ein hartes Hinderniss.

Beim Auspacken zuhause, stellte er fest, dass das Kettenblatt verbogen war und ervtauschte es gegen ein Biopace Kettenblatt aus, das er gerade zur Hand hatte.

Früh im Jahr 2006 nahm er an einem Trainingslager in Arizona teil, das von den legendären Transkontinental Rekordfahrern Lon Haldemann und Susan Notorangelo geleitet wurde. nach einer sehr kurzen Zeit auf einer Ausfahrt, sog sich Lon in den Windschatten von John. Er hing dort buchstäblich fest und rief aus "Du fährst ja Biopace!".

John murmelte entschuldigend: "Es ist in Ordnung undes war halt in meiner Ersatzteilkiste."

Lon antwortete: "Pete Pensereyes und ich fuhren unsere Transkontinental Tandem-Fahrt 1987 komplett mit Biopace."
(Lon war recht bescheiden und erwähnte nicht, dass der Rekord von 7 Tagen, 14 Stunden und 55 Minuten noch 2014 Bestand hatte.)

Vor ein paar Jahren ergänzte er noch ein 28 Zähne-Blatt, das auf den bisher nicht besetzten Rettungsringplatz kam. Jedoch hat John nie einen Umwerfer verbaut, weil die ungewöhnliche Rahmenform des Bike Fridays das nicht zuließ. Das ist so weit in Ordnung, weil wegen der kleinen Räder des Fahrrads, das 28 Zähne-Kettenblatt nur bei sehr steilen und langen Anstiegen nötig ist und ein manuelles Umlegen der Kette daher kein Probelm darstellt. Diese Ketenblatt hat John Allen im Alter vo 65 Jahren noch geholfen, ohne Absteigen im Alter von 65 Jahren den Mt. Wachusett in Massachusetts zu bezwingen.


Fazit

Biopace Kettenblätter wurden von Shimano hergestellt. Es gab mache Hersteller, die sie unter Lizenz herstellten. Die Form des originalen Biopace Kettenblatts ist keine simple Ellipse, sondern etwas komplexer. Die Form wurde von Shimano als "Punktsymmetrische eiförmige Kurve" bezeichnet. Andere Kurbelsatzhersteller hatten einfachere Formen im Angebot, die meist einfach elliptisch war, sich jedoch an Biopace orientierten. Beispiel hierfür wearen "Ovaltech" von SR und "Cycloid" von Sugino.

Unrunde Kettenblätter sind und bleiben kontrovers. Insbesondere bei renorientierten Fahrer, die glauben, dass jeder ein Rennrad fahren müsse. Jedoch sind sie nach Sheldon Browns Meinung eine Bereicherung für die meisten Alltagsradfahrer.

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.