Schwingungsbelastung auf dem Rennrad - Ergonomie und Sport Referat von Henning Schnurr Hauptstudium Industrie-Design Seminar: Ergonomie, Axel ...
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
Ergonomie und Sport
Schwingungsbelastung auf dem Rennrad
Referat von Henning Schnurr
Hauptstudium Industrie-Design
Seminar: Ergonomie, Axel Heppner, SS 2006
Universität Duisburg-Essen
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 gebracht
werden. Autos und Cityfahrräder haben im Vergleich dazu meist 2,5 bar bei wesenlich mehr Volumen
Ein 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.
henning schnurr
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.
henning schnurr
Problematik Sportlichkeit
80 kg
Rollwiderstand erhöht sich
durch schlechte Dämpfung
Muskulatur ermüdet schneller
bei dauerhafter Schwingung
8 kg
Beanspruchung von Rücken
Schwingung lenkt Konzen-
tration auf Unwesentliches
Um optimal zu fahren muss sich
der 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.
henning schnurr
Einwirkrichtung der Schwingung
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
r
bestimmte Sitzposition und
somit auch die Einwirkrichtung
vor. Von daher sollte
besonders darauf geachtet
werden, dass Schwingungen
unterbunden werden.
henning schnurr
Schwingung allgemein
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 80r 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.
henning schnurr
Problematik Reglement
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 rEinwirkungsintensität 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
Dreieckige Form Radstand
henning schnurr
Schwingungsauswirkungen allgemein
Befindensstörungen (reversibel) Frequenzbereich [Hz] Verstärkte Ermüdbarkeit, Verminderung der
Leistungsfähigkeit, insbesondere
Allgemeines Unbehagen 1 – 20 Konzentrationsschwäche und Beeinträchtigung der
feinmotorischen Koordination,
Kopfschmerzen 8 – 18 Verschlechterung der Sehschärfe durch die
Bewegungsunruhe des auf die Netzhaut projizierten
Atemnot / Preßatmung 1 – 18 Bildes, r
Beeinträchtigung des Wohlbefindens bis zur Empfindung
Schmerzen im Brustraum 3 – 10 der Unerträglichkeit der einwirkenden Schwingungen
oder gar Schmerzen in bestimmten Körperabschnitten
Sprachstörungen 6 – 20 oder Organen.
Inwieweit aus der chronischen Einwirkung ein
Sehstörungen 20 – 100 Gesundheitsrisiko resultiert, wird durch zusätzliche
Rektale Reizzustände Faktoren wie parallel vorkommende körperliche
9 – 16
Schwerarbeit unter Zwangshaltungen, dispositionelle
Blasenreizung Momente, Vorschädigungen und Alterseinflüsse
9 - 18
mitbestimmt.
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.pdf
http://www.uni-oldenburg.de/fafo/schwi.html
http://www.ruhr-uni-bochum.de/rubin/rbin2_95/rubin6.htm
henning schnurr
Problematik durch das Reglement
Rahmengewicht min. 6.8kg
Raddurchmesser
Hauptrahmen durch 4 Rohr-
verbindungen, die in einem
definierten Längenverhältnis und
Winkel zueinander abgestimmt sind
Dreieckige Form 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.
henning schnurr
Kriterien eines guten Rennrades
Komfort ist das einzige
80 kg undefinierte Kriterium
und bezieht sich in
diesem Fall auf die
Schwingungs- bzw.
Stoßbelastung.
Entscheidend dafür sind
8 kg 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.pdf
http://www.uni-oldenburg.de/fafo/schwi.html
henning schnurrKriterium: Tretlagersteifigkeit
Die Verwindungssteifigkeit
80 kg im Tretlagerbereich ist von
großer Bedeutung was die
Krafteffizienz betrifft. Je
Verwindungssteifer der
Tretlagerbereich ist, umso
weniger Kraft wird
8 kg durch die Verwindung im
Rahmen verschenkt.
Als Faustregel kann man
sagen, das bei einem
Diamantrahmen (klassische
Form) die Härte mit der
Tretlagersteifigkeit steigt.
Daher sind die Rahmen,
die in den letzten Jahren
entstanden sind nochmal
um einiges härter
geworden. Die
Eigendämpfung des
Rahmens ist heute fast gar
nicht mehr vorhanden.
henning schnurrKriterium: Lenkkopfsteifigkeit
Verwindungssteifigkeit
80 kg im Lenkkopfbereich
erhöht die Fahrsicher-
heit und bestimmt
neben der Geometrie
die Kontrollierbarkeit
des Rades enorm.
8 kg Gleiches gilt für die
Gabel.
henning schnurrKriterium: Geometrie
Die Geometrie wird durch
80 kg die Längenverhältnisse
bzw. Winkel zueinander
bestimmt. Daraus ergibt
sich, welches Fahrgefühl
vermittelt wird wie bequem
das Rad ist und wie die
8 kg Aerodynamik ist. Im hoch-
preisigen Segment ist es
nicht unüblich sich den
Rahmen maßschneidern
zu lassen. Dieses ist auch
sinnvoll, da jeder anders
gebaut ist und etwas
anders fährt.
henning schnurrKriterium: Gewicht
Das Gewicht ist
80 kg ausschlaggebend
für Handling und
Forttrieb. Gerade
in den Bergen ist es ein
wichtiges Kriterium,
da man Gewicht
8 kg in vertikaler Richtung
spürt. Bei Hobbyradlern
wird der Gewichtsfaktor
aber auch oft über-
berwertet. Nachwievor
ist das körpereigene
Gewicht das wichtigste
henning schnurrKomfort an der Sattelstütze
Beim Sattel muß darauf
80 kg geachtet werden, dass
der Sattel seine
Richtung behält.
Durch die Konstruktion
der Sattelstütze ist von
einem enormen Mehr-
8 kg gewicht von 300- 400g
auszugehen.
Problematischer ist
allerdings, dass sich
der Abstand zwischen
Sattel undPedal
verändert.
henning schnurrKomfort an der Gabel
Guter Ansatz, der
80 kg allerdings nur wenig bringt,
was die Schwingungs-
dämpfung betrifft. Da auf
den Felgen gebremst wird,
darf der Federweg nur
minimal ausfallen
8 kg
henning schnurrKomfort an der Gabel
Headshock Gabeln, bei
80 kg denen sich das
Dämpfungselement in
dem Gabelschaft
befindet. Diese
arbeiten sehr gut und
sind auch für Rennrad-
8 kg bremsen geeignet.
Dämpfersystem fährt
jedoch immer mit der
voller Masse mit, egal
ob man Dämpfung
möchte oder nicht.
Cannondale
henning schnurrKomfort an der Gabel und Sattelstütze
80 kg 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
8 kg Verwindungssteifigkeit brachte
dieses keine messbaren
Veränderungen.
Elastomere
Specialized
henning schnurrDämpfungskomfort am Mounainbike
Umlenker mit aktivem
80 kg Dämpfersystem sind
am Rennrad gemäß
UCI-Richtlinien nicht
für das Rennrad
zulässig und bringen
leider auch ein deutliches
8 kg Mehrgewicht mit sich.
henning schnurrHinterbaudämpfung am Rennrad
Durch den Flex in den
80 kg Titanrohren wird auf
ein Lager an der
Antriebsschwinge
verzichtet.
Problematischer sieht
es beim eingelassenen,
8 kg direkt angesteuerten
Dämpfer aus, da sich
dieser durch fehlende
Lageranlenkpunkte
verkantet und somit ein
hohes Losbrech-
moment hat.
henning schnurrHinterbaudämpfung am Rennrad
Hier ebenfalls ein klassischer
80 kg Rahmen, der ohne
definiertes Lager auskommt
und die Flexibilität der
Kettenstrebe ausnutzt. Ob
dies auf Dauer bei Alu gut
geht, kann nur die Zeit
8 kg zeigen. Im Moutain Bike-
Bereich gibt es aber auch
das Ganze mit
Carbonschwinge, was ja
praktisch ermüdungsfrei ist,
im Gegensatz zu Alu.
henning schnurrHinterbaudämpfung am Rennrad
80 kg Durch das Elastomer
ist das statische Drei-
eck unterbrochen, was
zu einer mangelnden
Verwindungssteifigkeit
im Tretlagerbereich
8 kg führen muss. Die Sattel-
strebe stabilisiert das
Hinterrad seitlich enorm,
da so Torsion verhindert
wird. Beim vollgefederten
Mountainbike ist von
daher oft ein filigran
wirkender Vierlenker-
Hinterbau viel
verwindunssteifer als
ein Einlenker.
henning schnurrTriathlonbikes
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.
henning schnurrTriathlonbikes
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 henning schnurrSie können auch lesen
