Fahrrad

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Hintergrund

Fahrräder sind eines der beliebtesten Fortbewegungsmittel der Welt. Rund 800 Millionen Fahrräder sind zwei zu eins mehr als Autos. Fahrräder sind auch das energieeffizienteste Fahrzeug – ein Radfahrer verbrennt etwa 35 Kalorien pro Meile (22 Kalorien pro km), während ein Auto 1.860 Kalorien pro Meile (1.156 Kalorien pro km) verbrennt. Fahrräder werden nicht nur für den Transport, sondern auch für Fitness, Wettkampf und Touren verwendet. Es gibt sie in unzähligen Formen und Stilen, darunter Rennräder, All-Terrain-Bikes und stationäre Fahrräder sowie Einräder, Dreiräder und Tandems.

Verlauf

Bereits 1490 hatte Leonardo da Vinci sich eine Maschine vorgestellt, die dem modernen Fahrrad bemerkenswert ähnlich ist. Leider hat da Vinci nicht versucht, das Fahrzeug zu bauen, noch wurden seine Skizzen bis in die 1960er Jahre entdeckt. Im späten 18. Jahrhundert erfand ein Franzose namens Comte de Sivrac den Celerifere, ein grobes Steckenpferd aus Holz, das aus zwei Rädern besteht und durch einen Balken verbunden ist. Der Reiter saß auf dem Balken und trieb den Apparat voran, indem er seine oder ihre Füße gegen den Boden drückte.

1816 erfand der deutsche Baron Karl von Drais ein lenkbares Steckenpferd, und innerhalb weniger Jahre war Steckenpferdreiten in Europa ein modischer Zeitvertreib. Die Fahrer entdeckten auch, dass sie das Gerät mit den Füßen vom Boden fahren konnten, ohne das Gleichgewicht zu verlieren. Und so stellte 1840 ein schottischer Schmied namens Kirkpatrick Macmillan ein zweirädriges Gerät her, das mit einem Pedal bedient wurde. Zwei Jahre später legte er während einer Rekordrundfahrt von 225 km nach Glasgow bis zu 64 km am Stück zurück. Ein paar Jahrzehnte später entwarf ein Franzose, Ernest Michaux, ein Steckenpferd, das Kurbeln und rotierende Pedale verwendete, die mit der Vorderachse verbunden waren. Das Veloziped, hergestellt mit Holzrädern und einem Eisen Rahmen und Reifen, gewann den Spitznamen "Boneshaker".

Die 1860er Jahre erwiesen sich als wichtiges Jahrzehnt für Fahrradverbesserungen mit den Erfindungen von kugelgelagerten Naben, Metallspeichenrädern, Vollgummireifen und einer hebelbetätigten Viergang-Schaltung. Um 1866 wurde in England von James Stanley eine ungewöhnliche Version des Velocipede geschaffen. Es hieß Ordinary oder Penny Farthing und hatte ein großes Vorderrad und ein kleines Hinterrad. Die Ordinaries wurden bald in die USA exportiert, wo eine Firma begann, sie ebenfalls herzustellen. Diese Fahrräder wogen satte 70 Pfund (32 kg) und kosteten 300 Dollar – damals eine beachtliche Summe.

1885 schuf ein anderer Engländer, John Kemp Starley, den Rover Safety, der so genannt wurde, weil er sicherer war als der Ordinary, der dazu neigte, den Fahrer bei abrupten Stopps über das große Vorderrad zu schlagen. Der Safety hatte gleich große Räder aus Vollgummi, ein kettengetriebenes Hinterrad und einen rautenförmigen Rahmen. Andere wichtige Entwicklungen im 19. Jahrhundert beinhalteten die Verwendung von John Boyd Dunlops Luftreifen, die mit luftgefüllten Schläuchen ausgestattet waren, die für Stoßdämpfung sorgten. Rücktrittbremsen wurden 1898 entwickelt, und kurz darauf erleichterte der Freilauf das Radfahren, indem er den Rädern ermöglichte, sich weiterzudrehen, ohne in die Pedale zu treten.

Der Rahmen besteht aus dem vorderen und hinteren Dreieck, wobei das vordere eigentlich eher ein Viereck aus vier Rohren bildet:das Ober-, Sitz-, Unter- und Steuerrohr. Der Hinterbau besteht aus Kettenstreben, Sitzstreben und Hinterrad-Ausfallenden. Am Steuerrohr an der Vorderseite des Rahmens sind Gabel und Lenkrohr befestigt.

In den 1890er Jahren erfreuten sich Fahrräder großer Beliebtheit, und die Grundelemente des modernen Fahrrads waren bereits vorhanden. In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts ermöglichten stärkere Stahllegierungen dünnere Rahmenrohre, die die Fahrräder leichter und schneller machten. Außerdem wurden Kettenschaltungen entwickelt, die ein ruhigeres Fahren ermöglichen. Nach dem Zweiten Weltkrieg ging die Popularität von Fahrrädern mit der Blüte der Automobile zurück, erholte sich jedoch in den 1970er Jahren während der Ölkrise wieder. Ungefähr zu dieser Zeit wurden Mountainbikes von zwei Kaliforniern, Charlie Kelly und Gary Fisher, erfunden, die die breiten Reifen der älteren Ballonreifenräder mit der Leichtbautechnologie von Rennrädern kombinierten. Innerhalb von 20 Jahren wurden Mountainbikes beliebter als Rennräder. Bald kombinierten Hybriden der beiden Stile die Tugenden jedes einzelnen.

Die Rohstoffe

Der wichtigste Teil des Fahrrads ist der rautenförmige Rahmen, der die Komponenten in der richtigen geometrischen Konfiguration miteinander verbindet. Der Rahmen verleiht dem Fahrrad Festigkeit und Steifigkeit und bestimmt maßgeblich das Fahrverhalten des Fahrrads. Der Rahmen besteht aus dem vorderen und dem hinteren Dreieck, wobei das vordere eigentlich eher ein Viereck aus vier Rohren bildet:dem Ober-, Sitz-, Unter- und Steuerrohr. Der Hinterbau besteht aus Kettenstreben, Sitzstreben und Hinterrad-Ausfallenden. Am Steuerrohr an der Vorderseite des Rahmens sind Gabel und Lenkrohr befestigt.

Für einen Großteil der Geschichte des Fahrrads wurde der Rahmen aus schwerem, aber starkem Stahl und legiertem Stahl hergestellt. Das Rahmenmaterial wurde ständig verbessert, um Festigkeit, Steifigkeit, Leichtigkeit und Haltbarkeit zu erhöhen. Die 1970er Jahre brachten eine neue Generation vielseitigerer legierter Stähle, die mechanisch geschweißt werden konnten, wodurch die Verfügbarkeit leichter und kostengünstiger Rahmen erhöht wurde. Im folgenden Jahrzehnt wurden leichte Aluminiumrahmen zur beliebten Wahl. Die stärksten Metalle sind jedoch Stahl und Titan mit einer jahrzehntelangen Lebensdauer, während Aluminium innerhalb von drei bis fünf Jahren ermüden kann.

Der technologische Fortschritt in den 1990er Jahren führte zur Verwendung von noch leichteren und stärkeren Rahmen aus Verbundwerkstoffen aus Strukturfasern wie Carbon. Verbundmaterialien sind im Gegensatz zu Metallen anisotrop; das heißt, sie sind entlang der Faserachse am stärksten. Somit können Verbundwerkstoffe zu einteiligen Rahmen geformt werden, die dort, wo sie benötigt werden, Festigkeit bieten.

Die Komponenten wie Laufräder, Umwerfer, Bremsen und Ketten bestehen meist aus Edelstahl. Diese Komponenten werden in der Regel woanders hergestellt und vom Fahrradhersteller gekauft.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Nahtlose Rahmenrohre werden aus massiven Stahlblöcken hergestellt, die durchbohrt und in mehreren Stufen zu Rohren "gezogen" werden. Diese sind in der Regel den gefalzten Rohren überlegen, die durch Ziehen von Flachstahlband, Umwickeln zu einem Rohr und Zusammenschweißen entlang der Länge des Rohres hergestellt werden. Nahtlose Rohre können dann weiter manipuliert werden, um ihre Festigkeit zu erhöhen und ihr Gewicht durch Aneinanderstoßen oder Ändern der Dicke der Rohrwände zu verringern. Beim Stoßen wird die Dicke der Wände an den Verbindungsstellen oder Enden des Rohres erhöht, wo die größte Spannung ausgeübt wird, und das Verdünnen der Wände in der Mitte des Rohres, wo relativ wenig Spannung vorhanden ist. Konifizierte Rohre verbessern auch die Belastbarkeit des Rahmens. Konifizierte Rohre können einseitig konifiziert sein, wobei ein Ende dicker ist; doppelkonifiziert, mit beiden Enden dicker als die Mitte; dreifach konifiziert, mit unterschiedlichen Stärken an beiden Enden; und Quad-Butted, ähnlich einem Triple, aber mit einer Ausdünnung der Mitte zur Mitte hin. Rohre mit konstanter Dicke sind jedoch auch für bestimmte Fahrräder geeignet.

Die Rohre werden durch Handlöten oder maschinelles Schweißen zu einem Rahmen zusammengefügt, wobei ersteres ein arbeitsintensiveres und daher teureres Verfahren ist. Verbundwerkstoffe können mit starkem Klebstoff oder Kunststoffbindemitteln verbunden werden. Die Bauteile werden in der Regel maschinell gefertigt und können von Hand oder maschinell am Rahmen befestigt werden. Letzte Anpassungen werden von erfahrenen Fahrradbauern vorgenommen.

Zusammenbau des Rahmens

Zuschneiden der Rohre

• 1 Das Metall wird geglüht oder durch Erhitzen erweicht und ausgehöhlt, um "Höhlen" oder "Blüten" zu bilden. Diese werden erneut erhitzt, in Säure gebeizt, um Zunder zu entfernen, und geschmiert.
• 2 Die Hohlräume werden gemessen, geschnitten und auf die entsprechenden Abmessungen präzise auf Gehrung geschnitten. Rahmengrößen für Fahrräder für Erwachsene reichen im Allgemeinen von 48-63 cm (19-25 Zoll) von der Oberkante des Sattelstützenrohrs bis zur Mitte des Kurbelaufhängers.
• 3 Als nächstes werden die Hohlräume über einem Dorn oder einer Stange angebracht, die an einer Ziehbank befestigt ist. Um die richtige Dicke zu erreichen, durchlaufen die Hohlräume Matrizen, die sie zu dünneren und längeren Rohren strecken, ein Prozess, der als Kaltziehen bezeichnet wird.
• 4 Die Rohre können in einer Vielzahl von Designs und Längen geformt und verjüngt werden. Die Gabelblätter mit Taper-Gauge müssen möglicherweise mehr als ein Dutzend Arbeitsgänge durchlaufen, um die richtige Festigkeit, das richtige Gewicht und die richtige Belastbarkeit zu erreichen.

Löten, Schweißen und Kleben

• 5 Rohre können entweder von Hand oder maschinell zu einem Rahmen verbunden werden. Rahmen können gelötet, geschweißt oder geklebt werden, mit oder ohne Ösen, die die Metallhülsen sind, die zwei oder mehr Rohre an einer Verbindung verbinden. Hartlöten ist im Wesentlichen Schweißen bei einer Temperatur von etwa 1600 °F (871 °C) oder niedriger. Gasbrenner sind gleichmäßig um die erhitzten Nasen herum angeordnet und bilden ein weißes Flussmittel, das schmilzt und die Oberfläche reinigt, um sie für das Löten vorzubereiten. Der Lötzusatz ist im Allgemeinen Messing (Kupfer-Zink-Legierung) oder Silber, die bei niedrigeren Temperaturen schmelzen als die zu verbindenden Rohre. Der Spachtel wird aufgetragen und fließt beim Schmelzen um die Fuge herum und dichtet sie ab.

Ausrichten und Reinigen

• 6 Die zusammengebauten Rahmen werden in Vorrichtungen gelegt und auf korrekte Ausrichtung überprüft. Anpassungen werden vorgenommen, während der Rahmen noch heiß und formbar ist.
• 7 Überschüssiges Flussmittel und Hartlote werden durch Beizen in sauren Lösungen und durch Waschen und Schleifen der Hartlote bis zur Glätte entfernt.
• 8 Nachdem die Metalle abgekühlt sind, werden weitere Präzisionsausrichtungen vorgenommen.

Abschluss

• 9 Die Rahmen sind lackiert, nicht nur um ein besseres Aussehen zu erzielen, sondern auch um den Rahmen zu schützen. Der Rahmen wird zuerst mit einer Grundierung grundiert und dann mit einer farbigen Emaille lackiert. Die Farbe kann durch Handsprühen oder durch Passieren der Rahmen durch automatische elektrostatische Sprühräume aufgetragen werden. Die negativ geladenen Rahmen ziehen das positiv geladene Farbspray an, während sich die Rahmen für eine vollständige Abdeckung drehen. Abschließend werden Transfers und Lack auf den Rahmen aufgetragen. Anstelle des Lackierens von Bauteilen wie den Gabelblättern kann auch eine Verchromung verwendet werden.

Zusammenbau der
Komponenten

Umwerfer und Schalthebel

• 10 Je nach Fahrradtyp werden die Schalthebel entweder am Unterrohr – bei Rennrädern beliebt – am Vorbau oder an den Lenkerenden montiert. Angeschlossen ist ein Kabel, das zum Umwerfer und zum Schaltwerk reicht. Umwerfer, die die Kette von einem Antriebsritzel zum anderen bewegen, können auf das Sitzrohr geklemmt oder gelötet werden. Schaltwerke können mit angeschraubten Aufhängern oder integrierten Aufhängern montiert werden.

Lenker, Vorbauten und Steuersätze

• 11 Der Lenker kann angehoben, flach oder heruntergefallen sein. Sie werden mit dem Fahrradvorbau verschraubt, der dann in das Steuerrohr eingebaut wird. Die Steuersatzkomponenten, einschließlich Lager, Lagerschalen und Sicherungsmuttern, sind am Steuerrohr befestigt. Der Steuersatz lässt die Gabel im Steuerrohr drehen und erleichtert so das Lenken.

Bremsen

• 12 Die Bremshebel sind am Lenker montiert. Kabel führen zu den Bremsen und sind an den Bremssätteln befestigt. Anschließend kann Klebeband aus Kunststoff oder Stoff am Lenker befestigt und die Enden verstopft werden.

Sättel und Sattelstützen

• 13 Sattelstützen bestehen im Allgemeinen aus Stahl oder einer Aluminiumlegierung und werden verschraubt oder festgeklemmt. Der Sattel besteht im Allgemeinen aus geformter Polsterung und ist mit Nylon- oder Kunststoffmaterialien überzogen. Obwohl Leder lange Zeit die Norm für Sättel war, wird es heute weniger häufig verwendet.

Kurbeln

• 14 Die Kurbel unterstützt die Pedale und überträgt die Kraft von den Pedalen auf die Kette und das Hinterrad. Kurbelgarnituren bestehen aus Kurbelarmen aus Stahl oder einer Aluminiumlegierung, Kettenblättern und der Tretlagerbaugruppe aus Achse, Lagerschalen und Lagern. Sie werden mit Schrauben und Kappen im Tretlager des Fahrradrahmens befestigt. Die Pedale werden dann an die Enden der Kurbelarme geschraubt.

Räder, Reifen und Naben

• 15 Radhersteller halten sich an das A J International Standards Organization (ISO)-System für Raddurchmesser und Reifengrößen. Räder können durch Maschinen hergestellt werden, die Stahlbänder zu Reifen walzen, die in Felgen eingeschweißt werden. Die Felgen sind gebohrt, um Speichen aufzunehmen, die einzeln zwischen Felge und Nabenflansch geschnürt werden.
• 16 Ein Rad muss in radialer und seitlicher Richtung abgerichtet oder gerichtet werden, um eine gleichmäßige Spannung zu erreichen. Als nächstes werden der Felgenliner, der Reifen und der Schlauch angebracht. Die Kette kann auch am Fahrrad montiert werden.
• 17 Hinterräder sind mit einem Freilaufrad, bestehend aus mehreren Zahnrädern und Distanzstücken, ausgestattet, das das Hinterrad vom Kurbeltrieb befreit, wenn der Fahrer aufhört zu treten.
• 18 Laufräder werden mit einer Achse, die durch die Radnabe läuft, am Fahrradrahmen befestigt. Die Achse kann mit Schrauben an den Enden oder mit Schnellspannern festgezogen werden.

Die Zukunft

Die Zukunft für Fahrräder sieht vielversprechend aus, wenn wir uns dem 20. Jahrhundert nähern. Entwicklungen in der Fahrradtechnologie in den 1990er Jahren haben zu Fortschritten bei der Konstruktion von menschlich angetriebenen Fahrzeugen (HPVs) geführt. Die meisten HPVs sind tiefliegende Liegeräder, die aerodynamischer sind als herkömmliche Fahrräder und daher den Luftwiderstand reduzieren und die Geschwindigkeit erhöhen. Liegeräder sind auch sicherer und viele bieten Laderaum- und Wetterschutz. In den 1990er Jahren tauchte ein Hybrid aus Fahrrad und Auto namens Ecocar auf den Straßen Europas auf. Entworfen von einem niederländischen Chirurgen, Wim Van Wijnen, bietet es Wetterschutz, Sicherheit, Gepäckraum, einfache Wartung, Komfort und Geschwindigkeit.

Der Einsatz von Computertechnologie hat die Designfähigkeiten von Herstellern und Designern erheblich verbessert. Konstrukteure sind in der Lage, verschiedene auf das Fahrrad einwirkende Kräfte zu simulieren, wie zum Beispiel Treten und Straßenstoß. Computergenerierte Programme vereinfachen das Testen, und Variationen von Konstruktionen lassen sich einfacher und schneller ändern.