Gabel (Fahrrad)
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Die Gabel ist am Fahrrad als Halterung zur Aufnahme des Vorderrades bestimmt. Mittels des Lenkkopflagers ist sie drehbar am Rahmen befestigt mit einer Neigung ihrer Achse nach vorn von 15–20 Grad.
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[Bearbeiten] Starrgabel
Starrgabeln sind die klassischen Fahrradgabeln. Sie sind im Gegensatz zu Federgabeln nicht mit Federn ausgestattet und bestehen aus Stahl-, Aluminium- oder Carbonfaser- Rohren.
Vorteile von Starrgabeln gegenüber Federgabeln sind geringeres Gewicht, Verschleißfreiheit, Wartungsfreiheit und geringere Kosten. An Rennrädern werden aufgrund des Gewichtsvorteils ausschließlich Starrgabeln montiert.
Stahl ist der klassische Werkstoff für Starrgabeln und Standard an allen älteren Fahrrädern bis hin zu frühen Mountainbikes. In den 90er Jahren wurden die Stahlgabeln mehr und mehr von Aluminiumgabeln verdrängt.
Carbongabeln sind die neueste Entwicklung der Starrgabeln und noch leichter als Alugabeln, allerdings auch empfindlicher, vor allem im Schaftbereich. An sogenannten Vollcarbongabeln - bei denen sowohl Gabelscheiden als auch Gabelschaft aus Carbon bestehen - muss der Vorbau immer mit einem Drehmomentschlüssel festgezogen werden. Ist dort einmal das maximale Anzugsmoment überschritten, kann der Gabelschaft gebrochen sein. Diese Gabel ist dann nicht mehr fahrsicher und darf nicht mehr gefahren werden.
Die meisten Starrgabeln sind unten leicht nach vorn gebogen, so dass sie in Verbindung mit der Elastizität des Werkstoffs beim Überfahren von Fahrbahnunebenheiten eine gewisse Federung bieten. Da Aluminium unter solchen dynamischen Biegebelastungen zur Rissbildung neigt, sind Aluminiumgabeln auf höhere Steifigkeit ausgelegt als andere Gabeln.
[Bearbeiten] Federgabel
Im Gegensatz zu einer Starrgabel ist eine Federgabel zur Verbesserung des Bodenkontakts und des Komforts mit Federn und Stoßdämpfern ausgerüstet.
Obwohl Federgabeln schon seit den Anfängen des modernen Niederrades bekannt sind, fanden sie erst durch die Verbreitung der Mountainbikes in den 90er Jahren den Weg in den Massenmarkt.
Federgabeln haben im Downhill normalerweise 150 bis 250 Millimeter Federweg, im Freeride 100 bis 200 mm, im Extremfreeride bis zu 300 mm und im CrossCountry um die 80 bis 100 mm. Zunehmend werden Federgabeln auch in Alltagsfahrrädern verbaut.
[Bearbeiten] Bauformen
[Bearbeiten] Teleskopgabeln
Die Federung besteht aus einem Standrohr und einem Gleitrohr, die sich beim Einfedern ineinander schieben. Das Standrohr ist das im Bezug zum Rahmen feststehende Rohr, also stets das obere. Das untere bewegliche Rohr, an dem die Nabe befestigt ist, ist das Gleitrohr. Die Standrohre werden unter dem Gabelschaftrohr durch eine Gabelbrücke zusammengehalten, die in der Mitte das Gabelschaftrohr trägt.
Das innere Rohr besteht üblicherweise aus verchromtem Stahl oder, bei moderneren und/oder teureren Federgabeln, aus beschichtetem Aluminium. Exotische Materialien wie Titan oder Carbon werden bisher kaum verwendet. Das äußere Rohr besteht üblicherweise aus Aluminium.
[Bearbeiten] RightSideUp
Die häufigste Bauform der Federgabel ist die RightSideUp Federgabel, was soviel bedeutet wie „richtige Seite oben“. Bei dieser Version tauchen die dünneren in der Gabelbrücke befestigten Standrohre in die dickeren Tauchrohre ein, an denen die Nabe befestigt ist. Die Tauchrohre sind über dem Rad verbunden, damit die beim Lenken auftretenden Torsionskräfte nicht über die Nabe abgeleitet werden müssen. Da die Standrohre mittels einfacher Gleitlager in den Tauchrohren gelagert sind, könnten sich die Tauchrohre frei um die Standrohre drehen, wenn sie nicht über dem Reifen verbunden wären. Außerdem kann die Belastung der beiden Tauchrohre unterschiedlich stark sein, wenn das Fahrrad geneigt wird oder das Vorderrad in Längsrillen gerät. Auch der dabei auftretende Kraftunterschied zwischen den Tauchrohren müsste von der Nabe aufgefangen werden, wenn die Tauchrohre nicht über dem Reifen starr miteinander verbunden wären.
[Bearbeiten] UpsideDown
Bei der USD-Technik (USD für UpSideDown) tauchen die dünneren Gleitrohre, an denen die Nabe befestigt ist, in die dickeren Standrohre ein, die in der Gabelbrücke befestigt sind. Hierdurch wird die Stabilität erhöht, da sich die dickeren Rohre oben befinden, wo die größten Hebelkräfte wirken. Die ungefederte Masse (Gleitrohre, Nabe, Rad) ist kleiner, was zu einer besseren Sensibilität der Gabel speziell bei schnellen Stößen führt. Die USD-Technik kommt hauptsächlich im Downhill und Extremfreeride zum Einsatz, da sich die aufwändigere Technik nur hier bezahlt macht. Bei den Federgabeln im CrossCountry Bereich sind die Vorteile kaum zu spüren, da die Gabeln hier auf geringes Gewicht optimiert sind und wenig Federweg haben.
Die Verbindung der Gleitrohre über dem Rad besteht bei UpsideDown Gabeln natürlich nicht, da die Gleitrohre hier ja in die Standrohre eintauchen. Um die Gleitrohre zu verbinden, müsste man also einen sehr langen Bügel von der Nabe über das Rad zur anderen Nabenseite konstruieren. Das würde viel wiegen und sich trotzdem stark verwinden. Daher werden die oben genannten Kräfte bei UpSideDown Gabeln allein von der Radnabe aufgenommen. Zu diesem Zweck verwendet man Naben mit besonders dicken Achsen, die grossflächig mit den Gleitrohren verschraubt werden.
Es gab Upsidedown Federgabeln mit einem Schlitz in den Standrohren, durch den die Gleitrohre zugänglich werden. So kann man die Gleitrohre wie bei einer RightSideUp Gabel mit einer Brücke über dem Rad verbinden und dadurch die Belastung der Nabe soweit verringern, dass man gewöhnliche Naben verwenden kann. Durch die Schlitze in den Standrohren entstehen natürlich erhebliche Probleme bei der Abdichtung der Gabel, weswegen diese Bauform sehr selten und weitgehend ausgestorben ist.
[Bearbeiten] Doppelbrücke
Im Gegensatz zur üblichen Einbrückenfedergabel enden bei einer Doppelbrückenfedergabel die Standrohre nicht unter dem Gabelschaftrohr, sondern sind weiter nach oben bis unter den Vorbau geführt, wo sie in einer zweiten Gabelbrücke enden. Dadurch wird das Gabelschaftrohr kaum noch auf Biegung belastet und die gesamte Konstruktion wesentlich stabiler, aber natürlich auch schwerer. Nachteil: Durch die hohe Steife der Gabel kann der Rahmen am Steuerrohr brechen, wenn dieser nicht für Doppelbrückengabeln ausgelegt ist. Wenn man solch eine Gabel nachträglich einbauen will, sollte man immer beim Fachhändler oder Hersteller nachfragen ob der Rahmen für diese Art von Gabel geeignet ist.
[Bearbeiten] Parallelogrammgabeln
Eine Parallelogrammgabel besteht aus einer starren Gabel, die über mindestens zwei Streben am Gabelschaftrohr aufgehängt ist. Die Streben sind beidseitig drehbar gelagert, sodass sich die Gabel auf und ab bewegen kann. Die Streben bilden mit ihren Aufnahmen ein Parallelogramm.
Vorteilhaft bei Parallelogrammgabeln ist das sensible Ansprechverhalten und die Möglichkeit, durch entsprechende Ausrichtung der Streben das Einfedern beim Bremsen gering zu halten. Wenn die Streben und ihre Aufnahmen so bemessen sind, dass sie nur annähernd ein Parallelogramm ergeben, kann zudem durch ihre entsprechende Anordnung der Nachlauf beim Einfedern nahezu konstant gehalten werden.
Problematisch sind die vielen verschleißempfindlichen Gelenke im Bereich der größten Hebelkräfte, aus denen eine eher geringe Stabilität resultiert.
[Bearbeiten] Federung im Gabelschaftrohr
Dieser Typ Federgabel wird hauptsächlich von der US-Firma Cannondale unter dem Namen „HeadShok“ verbaut. Hierbei steckt die Federungstechnik nicht in den Stand- und Gleitrohren, sondern zentral im Gabelschaftrohr. Eine solche Gabel ist im Prinzip eine gewöhnliche Starrgabel, deren Gabelschaftrohr allerdings mit aufwändigen Wälzlagern federnd in einem zweiten Gabelschaftrohr gelagert ist. Dadurch bewegt sich die gesamte, eigentlich starre Gabel praktisch im Rahmen auf und ab. Die Lenkkraft wird bei solchen Gabeln entweder durch einen eckigen Querschnitt der beiden Gabelschaftrohre oder über ein Klappgelenk übertragen, das die beiden ineinander laufenden Gabelschaftrohre verbindet.
Diese Konstruktion bietet eine Reihe von Vorteilen. Der größte ist die massive Steifigkeit im Vergleich zur normalen Teleskopgabel, da nur an einer Stelle (im Steuerrohr) zwei Teile ineinander gleiten. Dadurch sind diese Gabeln fast so verwindungssteif wie Starrgabeln. Außerdem lässt sich jede Art von Bremse leicht an der Gabel befestigen, was bei den anderen Gabelkonstruktionen nicht unbedingt der Fall ist.
Als Nachteil ist vor allen Dingen die Notwendigkeit eines Gabelschaftrohres zu nennen, das nicht den Normmaßen entspricht. Das dürfte auch der Grund sein, weshalb diese Konstruktion, die bereits in den 50er Jahren patentiert wurde, erst in den 90ern eine gewisse Verbreitung fand.
[Bearbeiten] Federung und Dämpfung
Die Aufgaben einer Federgabel unterteilen sich in Federung und Dämpfung. Die Federn absorbieren erst einmal die Stoß-Energie. Diese Energie wird aber nur in den Federn gespeichert, die ohne Dämpfung beim Ausfedern über die Ursprungslage zurückfedern würden.
Deshalb gibt es die Dämpfung (meistens durch Öl), die schon beim Einfedern mithilft, vor allem aber die Ausfederbewegung kontrolliert und bremst. Dies wird bei billigen Federgabeln ohne Dämpfung deutlich, die besonders bei hohen Geschwindigkeiten dazu neigen, wild zu springen und zurückzuschnalzen.
Wie bei allen physikalischen Vorgängen findet auch hier nur eine Energie-Umwandlung statt, d.h. die Gabel kann die Stoß-Energie nicht einfach ins Nichts verschwinden lassen. Konkret wird kinetische in thermische Energie gewandelt. Am Anfang steht die Bewegungsenergie des Einfederns. Das Dämpfungs-Öl wird durch dünne Kanäle gepresst, erwärmt sich, und gibt so die Energie in Form von Wärme wieder ab.
[Bearbeiten] Federung
[Bearbeiten] Stahlfedern
Die klassische und einfachste Lösung ist die Federung mit Schraubenfedern aus Stahl. Sie sind robust und bieten eine lineare Federkennlinie. Aus Gewichtsgründen ist aber auch eine Federung mit Luft sehr verbreitet.
[Bearbeiten] Luftfederung
Bei Gabeln mit Luftfederung begegnet man dem Problem, dass das Komprimieren von Luft eine sehr progressive Kennlinie mit einem hohen Anfangswert ergibt, oft dadurch, dass man eine zweite Luftkammer einbaut, deren Druck der eigentlich federnden Luft entgegenwirkt und somit die nötige Anfangskraft reduziert. Die Kennlinie der Federung kann man dann durch geeignete Wahl des Volumenverhältnisses der beiden Luftkammern einstellen. Bei einer luftgefederten Gabel kann man die Härte der Federung sehr leicht durch den Luftdruck einstellen. Zu Anfangszeiten der Luftfederung gab es noch Probleme mit der sich erhitzenden Luft im Dämpfer durch die Reibung. Die Luft dehnt sich bei Erwärmung aus und beeinträchtigt dadurch die Dämpfung. Diese wurde dann härter und schliesslich unkontrollierbar. Durch moderne Technik konnten diese Problme allerdings weitestgehend ausgeräumt werden.
[Bearbeiten] Elastomere
Federung mittels Elastomeren ist wegen starker Temperaturabhängigkeit und mangelnder Haltbarkeit nur noch im unteren Preissegment zu finden, zwar haben diese eine durchaus gute Wirkung, aber es treten nach einiger Zeit dauerhafte Verformungen auf.
[Bearbeiten] Sonstige
Andere mögliche Federungen, zum Beispiel mittels federnder Carbonfaserelemente (zum Beispiel Remec), sind nie über das Experimentalstadium hinaus gekommen, auch wenn es von manchen Herstellern Versuche gab, so etwas zu verkaufen. Teilweise versuchen Carbon- & Titanrahmenhersteller (zum Beispiel Cannondale, Moots) die flexenden Eigenarten des Materials in ihren Konstruktionen so zu berücksichtigen, dass sie an den hinteren Kettenstreben das Material wie eine Blattfeder formen und dadurch einen federnden Effekt erwirken welcher nur noch an den Sitzstreben geführt werden muss. Vereinzelt werden bei Federdämpfern aus Gewichtsgründen statt Stahlfedern Titanfedern eingesetzt.
[Bearbeiten] Dämpfung
Zur Dämpfung wird fast immer ein Öldämpfer verwendet. Wenige luftgedämpte Gabeln erzielen so etwas ähnliches wie eine Dämpfung indem sie die komprimierte Luft durch sehr kleine Bohrungen strömen lassen. Reibungsdämpfungen sind wegen mangelhafter Funktion und zu hohem Verschleiß ausgestorben. Bei sehr preiswerten Federgabeln ist in der Regel keinerlei Dämpfung vorhanden.
Bei Fahrradgabeln gibt es im Gegensatz zur KFZ-Technik keine Stoßdämpferart, die üblich ist. Vielmehr werden laufend neue Möglichkeiten ersonnen, die Gabel zu dämpfen. Zwar wird bei allen Dämpfern Öl durch (oft verstellbare) Bohrungen geleitet, um die dämpfende Wirkung zu erzielen. Wie das im einzelnen erreicht wird, ist aber von Hersteller zu Hersteller und oft auch von Modelljahr zu Modelljahr verschieden. Ganz grob kann man drei Arten von Dämpfern klassifizieren:
[Bearbeiten] Gekapselte Dämpfer
Vollständig geschlossene (gekapselte) Dämpfer, die als komplettes, fertiges Bauteil in die Gabel eingebaut werden. Dies kommt den im KFZ-Bereich verwendeten Dämpfern am nächsten. Diese Dämpfer werden auch als geschlossene Dämpferpatronen oder cartridge-Dämpfer bezeichnet. Diese Dämpfer haben das Problem, dass sie nicht viel Energie aufnehmen können, weil sie in der Regel ein sehr geringes Ölvolumen haben. Außerdem gibt es üblicherweise keinen Ausgleichsbehälter für das sich bei Erwärmung ausdehnende Öl. Aus diesen Gründen gab es in der Vergangenheit große Zuverlässigkeitsprobleme mit solchen Dämpfern.
[Bearbeiten] Offene Patronen
Dämpferpatronen sind Dämpfer, die zwar die notwendigen Kolben und Bohrungen enthalten, aber darauf angewiesen sind, ihr Öl aus einem sie umgebenden Ölbad zu bekommen. Diese Dämpfer werden auch als „open cardridge“-Dämpfer oder „open bath“-Dämpfer bezeichnet. Ihr Vorteil ist der gegenüber einem geschlossenen Dämpfer einfachere Aufbau sowie das in der Regel wesentlich größere Ölvolumen. Durch die größere Ölmenge können solche Dämpfer mehr Energie aufnehmen, die in Form von Wärme an das Öl abgegeben wird. Außerdem wird das umgebende Öl oft zur Schmierung der Lagerbuchsen der Standrohre genutzt.
[Bearbeiten] Integrierte Dämpfer
Dämpferkonstruktionen, die in die Gabel integriert sind. Hierbei ist der Dämpfer nicht als eigenständiges Teil vorhanden, sondern die dämpfende Wirkung wird durch spezielle Gestaltung einiger, für die Konstruktion der Federgabel ohnehin notwendiger Teile erzielt. Dadurch kann man Gewicht sparen, weswegen diese Konstruktion bei fast allen gewichtsoptimierten Gabeln angewandt wird. Allerdings wirft eine solche Konstruktion mehrere, zum Teil technisch schwierig zu lösende Problemen auf, insbesondere bezüglich Einstellbarkeit der Dämpfung und Funktionssicherheit. Deshalb ist diese Art der Dämpfung bei preiswerten Gabeln selten zu finden.
