Wie man den Wirkungsgrad misst

Wie effizient die SPEEDHUB ist, fasst Wirkungsgrad zusammen. Hier geht es darum, warum verschiedene Messungen für denselben Antrieb verschiedene Zahlen liefern — und wie Rohloff gemessen hat.

1. Treten ist nicht gleichmäßig

Ein Radfahrer tritt mit fast konstanter Trittfrequenz, aber das Drehmoment pulsiert innerhalb jeder Kurbelumdrehung stark: Messungen zeigten etwa 5 % Schwankung der Drehzahl, aber über 90 % beim Drehmoment. Jedes kraftübertragende Teil — Kette, Kettenblatt, Lager, Zahnräder — wird pro Umdrehung zweimal be- und entlastet.

Leistung und Drehzahl	100 W, 75/min	300 W, 75/min	575 W, 50/min
Drehmoment-Maximum	21,6 Nm	68 Nm	200 Nm
Drehmoment-Minimum	3,8 Nm	8 Nm	20 Nm

Prüfstände werden von einem Elektromotor mit gleichmäßigem Moment angetrieben. Die Frage ist also, welche konstante Leistung der echten, pulsierenden Last entspricht. Rohloffs Verschleißprüfstand für Ketten und Kettenblätter lieferte die Antwort: Teile, die im Mittel mit 150 W bei pulsierenden 5 bis 30 Nm gefahren wurden, zeigten nur dasselbe Verschleißbild wie Testteile, die mit konstant 30 Nm liefen. Weil Verschleiß und Reibungsverlust dieselben Ursachen haben, muss ein Prüfstand mit dem Spitzenwert des Moments arbeiten, nicht mit dem Mittel — einfach gesagt: Eine 80-W-Fahrt bildet man bei gleicher Drehzahl mit etwa 160 W Prüfstandsleistung nach.

2. Zwei Arten von Verlust

• Leistungsabhängiger Verlust: Reibung der unter Last bewegten Teile — Kettenglieder, Zahnräder, Lager. Er wächst proportional mit der übertragenen Leistung.
• Leistungsunabhängiger Verlust: Dichtungen, Laufflächen, das Walken des Schmierstoffs. Er hängt nicht von der Antriebskraft ab, nur von Drehzahl, Temperatur und Viskosität.

Zwei ausgedachte Antriebe, beide mit 91 % bei 50 W:

Eingangsleistung	50 W	100 W	200 W	300 W	400 W	500 W
System A: 7 % + 1 W	91,0 %	92,0 %	92,5 %	92,7 %	92,75 %	92,8 %
System B: 3 % + 3 W	91,0 %	94,0 %	95,5 %	96,0 %	96,3 %	96,4 %

Bei niedriger Leistung dominiert der leistungsunabhängige, bei höherer der leistungsabhängige Verlust. Die Kurven C und D zeigen dieselben Antriebe, wenn der Dichtungsverlust durch Wärme oder einen veränderten Schmierfilm von 1 W auf 2 W steigt (A → C) oder von 3 W auf 2 W sinkt (B → D):

Unter 200 W verschiebt schon eine Schwankung von ±1 W das Ergebnis um mehrere Prozent — und das kann innerhalb einer Messung passieren, weil die eigene Reibungswärme die Bedingungen verändert. Unter 200 W gilt eine Wirkungsgradangabe deshalb nur aus vielen Wiederholungen und immer als Band mit oberer und unterer Grenze. Über 200 W wird die Schwankung vernachlässigbar.

3. Dein Wirkungsgrad zählt auch

Ziel ist nicht die beste mechanische Zahl, sondern wie viel der eingesetzten Energie zu Vortrieb wird. Der Muskelwirkungsgrad erreicht bei passender Kraft und Bewegungsgeschwindigkeit etwa 25 %, im ungünstigen Gang aber leicht 10 Prozentpunkte weniger — weit mehr als der Unterschied zwischen Schaltsystemen.

Wirkungsgrad	Fahrer A	Fahrer B
Muskelwirkungsgrad	24 %	22 %
Antriebswirkungsgrad	93 %	97 %
Gesamt	22 %	21 %

Fahrer A im passenden Gang ist mit dem schlechteren Antrieb effizienter als Fahrer B im falschen. Laut Sportmedizin müssen Gangsprünge unter 15 % liegen, damit benachbarte Gänge nach oben und unten passen — deshalb gehören Bandbreite und Gangzahl immer neben den Wirkungsgrad. Siehe Übersetzungsvergleich.

4. Die Rohloff-Messung

Gemessen wurde der ganze Antrieb — Tretlager, Kette, Kettenblätter, Nabe bzw. Getriebe —, nachgebildet ein sportlicher Fahrer mit etwa 160 W und 50 Nm Drehmomentspitzen (285 N Pedalkraft):

Größe	Wert
Drehzahl	60/min
Bremsleistung (konstant)	314 W
Antriebsmoment	50 Nm

Verglichen wurden eine 24-Gang-Kettenschaltung (Kettenblätter 46, 36 und 26 Zähne, Kassette 11–28) und eine SPEEDHUB (46/16), beide etwa 100 km eingefahren. Die Läufe wurden mehrfach wiederholt; die Toleranz beträgt ±0,5 %.

• Kettenschaltung: sauber und gut geschmiert gemessen, dann mit verschmutzter Kette und Zahnrädern nach etwa 1000 km — mit den gebrauchten Teilen lag der Wirkungsgrad im Mittel 1 % niedriger.
• SPEEDHUB: ebenfalls mit 1000-km-Kette und -Ritzel gemessen — kein messbarer Unterschied.

Die Kennlinie der Kettenschaltung über dem Weg pro Kurbelumdrehung:

Die Kennlinie der SPEEDHUB, ebenso aufgetragen:

Der Wirkungsgrad der SPEEDHUB folgt genau, wie viele Planetenstufen im jeweiligen Gang unter Last arbeiten:

Gang	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
Stufen unter Last	2	2	3	1	3	2	2	1	1	2	0	2	1	1

Am besten ist der 11. Gang — der direkte Gang, in dem keine Stufe arbeitet. Die Gänge 1–7 zeichnen dasselbe Muster wie 8–14, nur etwa 2 % tiefer, weil dort zusätzlich die dritte Stufe untersetzt. Welche Stufe in welchem Gang arbeitet: Die 14 Gänge von innen.

Was man sich merken sollte

• Eine Messung mit konstantem Moment unter 200 W sagt in der Praxis wenig — im sportlichen Tempo leistet ein Fahrer deutlich über 100 W.
• Wirkungsgrade immer mit Toleranzband vergleichen, und zusammen mit Bandbreite und Gangzahl.
• Schmutz, Schmierung und Verschleiß treffen offene Antriebe am meisten — die gekapselte SPEEDHUB kaum.