Vom Schließsystem bis zum Radantrieb:

Welche Antriebstechnik steckt im Fahrrad?

Als Beginn der Geschichte des Fahrrads gilt das Jahr 1817, in dem der badische Forstbeamte Karl von Drais seine Laufmaschine vorstellte. Mit ihr wurde zum ersten Mal ein gelenktes Zweirad verwirklicht. Heute gehört Fahrradfahren in Deutschland ganz selbstverständlich zur Fortbewegungskultur, fast jeder kann Fahrradfahren und besonders in Großstädten sehen immer mehr Menschen darin eine CO₂ sparende, nachhaltige und staufreie Alternative zum Auto. Auch die moderne Antriebstechnik unterstützt diesen Trend. Kompakte Motoren sind aber nicht nur treibende Kraft in den modernen E-Bikes, sondern arbeiten zum Beispiel auch in Rad-Schließsystemen oder unterstützen die Gangschaltung.

Wer Fahrrad fahren will, muss heute nicht zwangsläufig auch ein eigenes besitzen. Gerade in Städten ist es problemlos möglich, sich schnell und unkompliziert ein Fahrrad auszuleihen. So spart man sich die Kosten für Anschaffung und Wartung, minimiert das Diebstahlrisiko, gleichzeitig tut man etwas für seine Gesundheit und trägt seinen Teil zum Umweltschutz bei. Zudem sind Bike-Sharing-Modelle selbst nachhaltig: Die Auslastung der Räder ist deutlich höher als bei einem individuell genutzten Drahtesel. Leihfahrräder sind im Jahr etwa 10.000 Kilometer unterwegs.

Schließsysteme fürs Bike-Sharing

Dank digitaler Schließsysteme ist heute die Leihrad-Nutzung sehr komfortabel. Je nach Nutzungssystem können sich die Bike-Sharer heute an festen Leihstationen oder auch stationslos per Smartphone-App ein Rad ausleihen. Die Schließsysteme haben einen elektromotorischen Verriegelungsmechanismus. Für FAULHABER-Kleinstmotoren der Serie 1624 ist das ein typischer Einsatzbereich. Bei nur 16 mm Durchmesser und knapp 24 mm Länge liefern sie ein Drehmoment von 2 mNm. Die edelmetallkommutierten DC-Motoren arbeiten rastmomentfrei, haben einen sehr geringen Stromverbrauch und sind obendrein ausgesprochen leicht. Die in der Vorderradgabel eingebauten Kleinstmotoren bewegen den Bolzen des Schließmechanismus über ein Präzisionsgetriebe, sobald das Fahrrad freigeschaltet wird).

Mittlerweile wird Bike-Sharing nicht nur für normale Fahrräder, sondern auch für Pedelecs (Pedal Electric Cycle) angeboten. Pedelecs (versicherungs- und führerscheinfrei bis 250 W) sind Fahrräder, die durch einen Elektromotor bis 25 km/h unterstützt werden, wenn der Fahrer in die Pedale tritt. Bei Geschwindigkeiten über 25 km/h regelt der Motor runter. Der Grad der Unterstützung kann individuell eingestellt werden und hängt von der Pedalkraft oder der Trittfrequenz des Fahrers ab. Der Pedelec-Markt in Europa wächst zurzeit signifikant, Deutschland steht an der Spitze dieser Entwicklung.

Kompakte Servomotoren als Radantrieb

Die prinzipielle Funktionsweise eines Pedelecs ist einfach zu verstehen: Ein Sensor registriert, dass der Fahrer in die Pedale tritt und leitet diese Information an den Motor-Controller weiter. Der Controller als Steuereinheit wandelt den Gleichstrom des Akkus bedarfsgerecht in Drehstrom für den bürstenlosen Motor um. Frequenz und Drehfeld werden automatisch an die Drehzahl und das erforderliche Motordrehmoment angepasst. Diese Regelung sorgt für geringsten Stromverbrauch durch maximale Effizienz, erlaubt ruckfreies Anfahren und schont Antriebsmechanik wie Akku gleichermaßen.

FAULHABER-Motoren sorgen als Radantrieb bei Pedelecs für den passenden Antrieb. Weil die Motoren aus Schönaich trotz ihrer Leistungsfähigkeit sehr klein sind, kann man sie dabei so raffiniert einbauen, dass das Pedelec von außen gar nicht als solches erkennbar ist. Der bürstenlose DC-Servomotor 3274 BP 4 in Kombination mit einem Planetengetriebe ist im Rahmen integriert, der zugehörige Akku als Trinkflasche „getarnt“.

Mit 32 mm Durchmesser und 74 mm Länge hat der kompakte Radantrieb ein Dauerdrehmoment von 165 mNm. Das Fahrrad könnte damit in der Spitze den Fahrer mit stattlichen 330 Watt unterstützen und das bis zu fünf Minuten lang. Mit knapp 320 Gramm bringt der Motor weniger als die Hälfte des Gewichts auf die Waage als herkömmliche Ausführungen mit vergleichbarem Leistungsvermögen. Der vierpolige bürstenlose DC-Servomotor ist besonders für Anwendungen geeignet, in denen es auf hohe Leistung und dynamischen Start-/Stopp-Betrieb bei möglichst wenig Gesamtgewicht ankommt, wie eben in den Pedelecs.

Präzise und schnell schalten

Elektronische Schaltungen sind auf dem Vormarsch und werden nicht nur in Pedelecs, sondern auch in Sportbikes, wie zum Beispiel Rennrädern, immer häufiger verbaut. Integrierte elektronische Schaltsysteme erhöhen den Fahrkomfort und die Sicherheit, sie verringern den Verschleiß der Schaltkomponenten und schlussendlich fährt es sich mit einer elektronischen Schaltung effizienter und der Akku hält länger. Die Gänge werden bei diesen Systemen nicht mehr über Bowdenzüge, sondern über kleine Servomotoren gewechselt. DC-Kleinstmotoren der Serien 1524 SR oder 1724 SR finden hier ein typisches Einsatzfeld. Die edelmetallkommutierten, 24 mm langen DC-Motoren haben einen Durchmesser von lediglich 15 beziehungsweise 17 mm und liefern Drehmomente von 2,8 bzw. 4,5 mNm.

Auch die Zukunft des Fahrrads bleibt spannend, denn weitere elektronische Komponenten werden das Radfahren verändern. In welche Richtung das zum Beispiel gehen kann, zeigt das Projekt SmartFaraday Pedal, das ein Studententeam der Technischen Fakultät der Universität Freiburg entwickelt hat. Das intelligente Fahrradpedal bietet eine Vielzahl von Funktionen, die Radlern beim Tracken ihrer Fahrten helfen, von Leistungs- und Streckentracking über eine Diebstahlbenachrichtigung bis hin zu einer Schnittstelle für Internet und Smartphone. Die Studierenden gewannen mit diesem Projekt den Cosima Wettbewerb 2017 (Competition of Students in Microsystems Applications) und konnten auch beim internationalen Mikrosystemtechnik-Wettbewerb iCan einen hervorragenden zweiten Platz erreichen. Einer ihrer Hauptsponsoren ist FAULHABER.

Titelbild: Faulhaber