Die Hintergründe zum Allroadracer
Im Laufe meiner Nutzung von konventionellen Trikes (3-Rädrige Liegeräder im Tadpole Layout) wurden mir deren Stärken zunehmend bewusst. Der wesentliche Vorteil ist der Komfort: Sitz anstatt Sattel und entspanntes liegen statt nach vorne gebücktes fahren sind für längere touren deutlich angenehmer.
Der Spaß zieht aber auch einige Nachteile mit sich. Trade-offs, die ich nicht länger hinnehmen wollte. So begann ich mit der Entwicklung eines nach meinen Vorstellungen perfekten Trikes. Der Name dieses Trikes stand schon fest, bevor es seine Gestalt annahm. Es sollte ‘‘Allroadracer‘‘ heißen, geeignet für jedes Gelände und stets schnell und spritzig unterwegs. Zudem sollte es Optisch ansprechend sein, mit schönem Design und sichtbarer Technik. Ein Hingucker, der schon im Stand Lust auf Geschwindigkeit weckt.
Sitzposition und Neigetechnik
Der erste Zielkonflikt, den es zu lösen galt war die Sitzposition, insbesondere die Sitzhöhe. Konventionelle Trikes haben eine ziemlich niedrige Sitzposition, um den Schwerpunkt niedrig zu halten. Das ist wichtig, um sicher durch die Kurve fahren zu können. Trotz der niedrigen Sitzposition muss man je nach Kurve die Geschwindigkeit deutlich reduzieren, um ein Umkippen zu vermeiden.
Zudem, eine niedrige Sitzposition erschwert den Ein-und-Ausstieg, und verleiht dem Gefährt eine ziemlich schlechte Sichtbarkeit im Straßenverkehr.
Beim Allroadracer sollte es eine hohe Sitzposition werden, um ausreichend Komfort und Sichtbarkeit zu bieten. Trotzdem sollte es möglich sein, in hohem Tempo um die Kurve zu sausen. Die Lösung: Neigetechnik – den dann spielt die Höhe des Schwerpunkts kaum noch eine Rolle.
Nach kurzer Recherche wurde klar, in der Vergangenheit gab es schon mehrere Versuche Neigetrikes zu bauen, die auch mehr oder weniger funktioniert haben. Überlebt haben Sie auf dem Markt aber nicht.
Der Grund aus meiner Sicht, sie waren nicht intuitiv steuerbar, oft zu komplex gebaut, und es fehlten Features die man heute als Standard erwartet. Diese Probleme sollte der Allroadracer natürlich nicht haben, was zu einer Reihe von interessanten Herausforderungen geführt hat.
Steuerung der Neigetechnik
Als Erstes musste eine Neigetechnik entwickelt werden, die intuitiv steuerbar ist, vor allem dann, wenn die Geschwindigkeit gering ist oder das Trike im Stillstand ist. Schwieriger noch, der Stop-and-Go-Verkehr im urbanen Umfeld.
Das Problem: Neigetechnik arbeitet mit Fliehkräften, und ohne Geschwindigkeit gibt es keine Fliehkräfte. Ohne die Fliehkräfte benötigt es einen anderen Mechanismus um das Trike zu stabilisieren. Beim Fahrrad würde man einfach den Fuß auf den Boden Setzen, oder sich an einer Ampel abstützen, um das Gefährt im Stillstand zu stabilisieren. Das funktioniert beim Trike nicht, aufgrund der Sitzposition.
Übliche Lösungen bei anderen Neigefahrzeugen sind z.B. mechanische Neigesperren. Diese sind einfach, funktionieren aber sehr digital und damit nicht wirklich intuitiv. Es gibt keinen natürlichen Übergang in die Fliehkraft gesteuerte Neigung, wenn die Geschwindigkeit zunimmt – und es wird sehr unangenehm, wenn man die Neigesprerre nicht rechtzeitig deaktiviert. Somit waren die Neigesperren für den Allroadracer keine Option. Andere Lösungen koppeln das Lenken an das Neigen mittels Gestänge und erzwingen somit ein fixes Verhältnis zwischen Lenkwinkel und Neigewinkel. Auch keine so gute Lösung, für reale Fahrbedingungen. Man könnte mittels Elektrischen Aktuatoren die fixe Kopplung zwischen Lenkung und Neigung variabel machen, so dass es für alle Geschwindigkeiten passt. Das erfordert jedoch starke bzw. schwere Aktuatoren und elektronische Steuerung mit sehr hohem Sicherheitsniveau. Viel Geld und Gewicht – also auch keine gute Lösung für ein leichtes Neigetrike.
Es musste also eine neue Idee her, und die ließ nicht lange auf sich warten. Die Lösung: Sowohl die Neigung als auch die Lenkung soll mittels dem ein und demselben Lenker steuerbar sein, und zwar jederzeit und völlig unabhängig voneinander, damit es für alle Geschwindigkeiten passt. In anderen Worten, zum einen soll der Lenker die Neigung indirekt steuern, indem der Fahrer mittels Gegenlenkimpulse die Fliehkraft zur Neigesteuerung einsetzt (genau dasselbe, was man beim Fahrradfahren tut), zum anderen, soll der Lenker die Neigung auch direkt beeinflussen können, was sehr hilfreich bei geringen Geschwindigkeiten und bei Stillstand ist. Der Fahrer kann jederzeit die eine oder die andere Methodik anwenden, so wie es zur Fahrsituation passt. Das ganze umgesetzt mittels einfacher Kinematik, ohne Aktuatoren und ohne elektronische Steuerung. Gedacht getan, und es funktionierte wunderbar. Der Übergang zwischen direkt-gesteuerter Neigung und Fliehkraft-gesteuerter Neigung ist völlig natürlich, fließend und intuitiv, so als gäbe es den Übergang nicht. Das ist die wesentliche Neuheit im Allroadracer, inzwischen geschützt durch erteilte Patente.
Nachdem das Funktionsprinzip der neuartigen Neigetechnik klar war, musste die genaue Geometrie des Fahrwerks ausgefeilt werden. Da ich über die Jahre sehr viel Erfahrung mit Doppelquerlenker-Fachwerken gesammelt habe, und diese auch aus optischen und designgründen favorisiere, war ein Doppelquerlenkersystem gesetzt. Schnell wurde klar, dass es doch nicht so einfach ist, den bei der sehr hohen Winkelbewegung der Querlenker sind übliche Kinematiken nicht einfach übertragbar. Damit begann eine längere Phase der Fahrwerksauslegung und Tüftelei, bis schließlich eine ideale Kinematik entstanden ist. Insbesondere Lenkimpulse und Bremsimpulse müssen voneinander entkoppelt werden, und zwar über den gesamten Neigebereich. Ansonsten droht ungewolltes Neigen durch Bremsen, eine nicht so schöne Erfahrung.
Rahmen und Fahrwerksbauweise
Nachdem das Funktionsprinzip und die Kinematik des Neigefahrwerks definiert waren, musste die konkrete Umsetzung gelöst werden. Da ich selbst nicht Schweißen kann, behelfe ich mir oft mit der Alternative Rahmenbau aus Kohlefaser. Das erscheint zwar komplexer, ist aber bei Einhaltung gewisser Aspekte tatsächlich nicht so komplex. Hinzu kommt, dass man mit Kohlefaser je nach Geometrie sehr steife, oder sehr flexible Bauteile auslegen kann. So wurden die Doppelquerlenker des Neigefahrwerks aus flexiblen Kohlefaserplatten gefertigt, und der Hauptrahmen aus einem steifen Kohlefaserrohr. Um eine einheitliche Designsprache einzuhalten, wurde die Hinterradschwinge auch mit derselben Methodik entworfen. Weitere Vorteile von Carbon sind natürlich das geringe Gewicht und die schöne Optik.
Federung und Wippachse
Die Vorderachsfederung wird über die Kohlefaser-Querlenker realisiert, die als Blattfeder fungieren. Hinzu kommen reine Dämpfungselemente, die zwischen den Querlenker wirken. Der Federweg umgerechnet auf Radhub ist mit 70mm nicht sonderlich hoch, was bei einem Neigefahrzeug aber nicht so wichtig ist. Den das Neigefahrwerk fungiert auch als Wippachse, und kann einseitige Hindernisse mit bis zu 260mm ‘‘wegwippen‘‘. So muss man bei Neigern zwei Arten von Radhüben betrachten. Bei einem Hindernis, was auf beiden Vorderräder gleichzeitig wirkt, ist der Radhub 70mm. Bei einem einseitigen Hindernis hingegen (der deutlich häufigere Fall) ist der Radhub 260mm. Durch diesen enormen Radhub kann der Allroadracer extrem unebenes Gelände bezwingen, auch bei hoher Geschwindigkeit. Zudem wird die Fahrt entlang steilen Hängen möglich. Der Fahrer bleibt aufrecht, die Wippachse stellt sich schräg gemäß der Neigung des Hangs. Solche Manöver sind mit einem herkömmlichen Trike nicht ohne weiteres realisierbar.
Die Hinterradfederung orientiert sich an herkömmlicher Bauweise. Der Drehpunkt der Hinterradschwinge ist so gewählt, das der Allroadracer einen anti-rise von ca. 100% hat, und die Kett sehr nahe am Drehpunkt der Hinterradschwinge verläuft ( abstand kleiner 20mm ). Das minimiert ungewollte Quereinflüsse zwischen Einfedern und Pedalieren, wie etwa Pedalrückschläge.
Eine solche vorteilhafte Hinterradkinematik wird bei herkömmlichen Mountainbikes nur mit einer Viergelenkerschwingen erzielt. Beim Allroadracer hingegen funktioniert es schon mit einer Eingelenkerschwinge. Grund hierfür sind respektive der intrinsisch niedrigere Schwerpunkt im Vergleich zum Mountainbike, sowie die Kettensplittung zwischen Vorderrahmen und Hinterradschwinge.
Man könnte fast sagen, der Allroadracer ist Downhill geeignet, ohne den Downhill-Fahrer zu nahe treten zu wollen. Begrifflichkeiten außen vor gelassen, es ist definitiv möglich, mit dem Allroadracer sehr schnell sehr unebene strecken bergab zu sausen. Dabei muss die Fahrbahn nicht mal so breit wie die Spurbreite der Vorderachse sein. Bergab strecken die durch Mountainbikes eine einspurige Vertiefung aufweisen, kann der Allroadracer problemlos bezwingen. Durch die Wippachse fährt ein Vorderrad in der Vertiefung, und das andere Vorderrad fährt auf der erhobenen Seitenschwelle (solange dort kein Baum kommt). Der Fahrer bleibt dabei in aufrechter Position.
Antrieb
Ein Trike wird wie ein Fahrrad durch Kurbeln und Kette angetrieben. Bei Konventionellen Trikes ist es eine sehr lange Kette, die seitlich am Rahmen entlang von Kurbel bis Hinterrad verläuft. Schnell wurde klar, das geht hier nicht, weil der seitliche Verlauf einer Kette zu Kollisionen mit dem vorderen Fahrwerk führen würde, welches aufgrund des großen Neigebereichs viele Positionen im Raum einnehmen kann.
Außerdem, ich finde die lange seitlich verlaufende Kette optisch nicht schön, und das wird noch unschöner wenn man einen Längenausgleich in der Kette haben möchte (erforderlich, wenn man den Pedalausleger auf verschiedene Beinlängen einstellen möchte). Es war also klar, es muss eine im Rahmeninneren verlaufende Kette werden. Durch den Einsatz eines großen Kohlefaserrohrs als Zentralrahmen war das bauraumtechnisch möglich, wenn doch nicht ganz einfach. Zudem kam erschwerend dazu, dass alle Standardteile für einen Kettentrieb aus dem Fahrradbereich immer für eine seitlich laufende Kette ausgelegt sind. Es gab so gut wie keine Standardkomponente, die sinnvoll einsetzbar war – geschweige denn von einem Standard-Fahrradmittelmotor, der für eine mittig verlaufende Kette geeignet ist. Trotzdem, die im Rahmeninneren mittig verlaufende Kette war optisch wichtig, und technisch notwendig, und am Ende kam dann auch eine gute Lösung zustande.
Im Vorderen Rahmenteil, von der Kurbel bis zum Drehpunkt der Hinterradschwinge verläuft die Kette im Rahmeninneren, samt Längenausgleich, um eine verstellbaren Pedalausleger zu realisieren. Am hinteren Schwingendrehpunkt endet die mittige Kette, und die Antriebskraft wird auf eine seitlich verlaufende, kürzere Kette transferiert, bis zum Hinterrad.
Für die Schaltung wurde auf Nabenschaltung gesetzt, mit der besonders wichtigen Anforderung ein Schalten im Stillstand zu ermöglichen. Das ist bei Trikes wichtig, denn im Gegensatz zum Fahrrad kann man das Gefährt nicht mit dem Bein anstoßen. Wenn man also vergessen hat vor dem Stillstand runterzuschalten, wird die nächste Anfahrt schwierig. Leider gibt es keine große Auswahl an Naben, die im Stillstand verlässlich runterschalten, und so kam die nächste Anforderung: Es sollte eine automatische Schaltung werden, die gewährleistet, das man beim Start immer im richtigen Gang ist, ohne stets daran denken zu müssen. So blieben lediglich 3 Nabenschaltungen zur Auswahl, Enviolo AutomatiQ, Rohloff Automatik, und Revolute mit integrierter Automatik.
Elektrifizierung
Da ein Schnelles und spritziges Fahren Grundvoraussetzung für den Allroadracer ist, musste natürlich auch eine Elektrifizierung her. Die einfache Lösung mittels Nabenmotor im Hinterrad kam aus performance-sicht nicht infrage, und war auch durch die Nabenschaltung im Hinterrad nicht möglich. Anderseits war es auch nicht möglich, einen konventionellen Mittelmotor in der Kurbel zu verbauen, denn wie bereits erwähnt, verläuft die Kette dort mittig, und konventionelle Motoren benötigen eine seitliche Kette. Auch hier musste eine neue Lösung entwickelt werden, ohne einen neuen Motor entwickeln zu müssen. Wichtig war, die Performance muss einem Mittelmotor gleichkommen, also ein Motor der proportional zur Kadenz dreht, und nicht proportional zur Raddrehzahl. Dadurch profitiert der Motor von der Nabenschaltung, was signifikante Performancevorteile bietet. Auch hier kam eine gute Lösung zu Stande. Eingesetzt wurde ein Nabenmotor in der hinteren Schwinge, vor dem Hinterrad, der auf die dort seitlich verlaufende Kette eingreift und somit das Motordrehmoment vor dem Nabengetriebe einbringt. Es konnten also zwei Vorteile vereint werden, nämlich; der Einsatz eines Bauart-bedingt kostengünstigen Nabenmotor, der durch die spezielle Verbau-Art wie ein Mittelmotor fungiert.
Der Akku wurde hinter dem Sitz angebaut, sodass man ihn leicht entnehmen kann. Die Position ist hoch und erhöht den Schwerpunkt, was bei Neigefahrzeugen aber eine untergeordnete Rolle spielt und somit nicht wirklich nachteilig ist.
Nun kam die nächste Herausforderung hinsichtlich der Antriebssteuerung. Diese sollte natürlich mittels Drehmomentsensor funktionieren, um bei Stillstand das volle Drehmoment abrufen zu können. Das Problem war nur, es gibt im Fahrradsegment keine Drehmomentsensoren die für eine mittig verlaufende Kette geeignet sind, und so musste auch hier eine angepasste Lösung her. Diese beruht auf marktübliche Sensoren aus dem Maschinenbau und ist somit kostengünstig und verfügbar.
Kettenloser Antrieb
Im Laufe der Antriebsentwicklung kam stets die Frage, ob ein kettenloser Antrieb nicht deutlich einfacher wäre, den das Weglassen der mittig verlaufenden Kette und die damit verbundenen Herausforderungen wäre schon sehr schön. Und ja, sicherlich ist das ein gangbarer weg. Die Pedalierleistung des Fahrers wird mit einem Generator in Strom umgewandelt und mittels Kabel in Richtung Motor geschickt. Der Akku gibt daraufhin zusätzliche Leistung in Richtung Motor ab, und so treibt der Motor das Gefährt mit der x-fachen Pedalierleistung an. So wie beim regulären Pedelec, nur ohne Kette. Diese Technologie ist zwar neu, es gibt auf dem Markt aber schon einige Komponentenanbieter, sodass ein Kettenloser Antrieb problemlos im Allroadracer verbaut werden kann. In einem solchen Fall gäbe es durch den Wegfall der Kette genug Platz im Inneren des Hauptrahmens, um den Akku dort zu verstauen – entnehmbar natürlich.
Bremssystem und Radlastverteilung
Herkömmliche Trikes werden üblicherweise mit einem einseitigen Bremssystem gebaut. Bedeutet, ein Bremshebel auf der linken Seite des Lenkers bremst ausschließlich das linke Vorderrad, und ein zweiter Bremshebel auf der rechten Seite des Lenkers bremst ausschließlich das rechte Vorderrad. Das Hinterrad hingegen hat keine Betriebsbremse, lediglich eine Parkbremse. Für herkömmliche Trikes, ohne Neigetechink und mit niedriger Sitzposition macht das auch Sinn, den man möchte durch das einseitige Bremsen auch ein Stückweit lenken. (man muss ja sowieso vor der Kurvenfahr abbremsen, um nicht zu kippen). Außerdem, sind herkömmlichen Trikes sehr Vorderachslastig, sodass bremsen auf dem Hinterrad schnell zu einem Haftverlust führen kann, wodurch das Trike unkontrolliert über die Fahrbahn schlittert. Dieses gefährliche Phänomen sollte beim Allroadracer bestmöglich unterdrückt werden. Gelöst wurde es durch Optimierung des Radstandes und der Gewichtsverteilung zwischen Vorderachse und Hinterachse, und durch ein Bremssystem, in dem ein Bremshebel die gesamte Vorderachse bremst, und der andere Bremshebel die Hinterachse bremst. So wie man es vom regulären Fahrrad kennt. Das führt nicht nur zu mehr Sicherheit, sondern es ermöglicht auch kontrolliertes bremsen auf der Hinterachse, und somit spaßiges driften auf unbefestigtem Untergrund, ein must-have für einen Allroadracer.
