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Matthias’ Physikstunde: Lenkgeometrie verstehen

Matthias Reichmann, Erfinder und Entwickler des Virtual Pivot Headset erklärt die physikalischen Hintergründe der Lenkgeometrie:

Stabilität am einspurigen Fahrzeug

Wieso kippt das Fahrrad oder Motorrad nicht um? Weil da jemand drauf sitzt und die Balance hält? Jain – denn ab einer gewissen Geschwindigkeit können einspurige Fahrzeuge auch selbst einfach weiter fahren. Allerdings nicht perfekt gerade, sie „schlingern“. Und genau dieses Schlingern ist der Mechanismus, der dieses eigentlich instabile System stabilisiert. Wir gehen nun aber mehrere Schritte zurück – ich versuche die Erklärung kurz und verständlich zu halten.

Unsere Laufräder verfügen über ein sogenanntes „Massenträgheitsmoment“, dieses ist abhängig von Radius und Masse. Aus dem Massenträgheitsmoment ergeben sich die Kreiselkräfte. Diese erleben wir, wenn wir ein Laufrad nehmen, und dieses rotieren lassen. Wenn wir es aus der Vertikalen heraus im Gegenuhrzeigersinn kippen, wird es nach links einlenken (und im Uhrzeigersinn nach rechts). Sprich, wenn wir Fahrrad fahren und nach links kippen, lenkt unsere Lenkung ein, wir fahren eine Kurve. Aus der Kurvenfahrt ergibt sich eine Zentripetalbeschleunigung im Schwerpunkt des Gesamtsystems, multipliziert mit der Masse ergibt sich die Zentrifugalkraft, die multipliziert mit der Schwerpunktshöhe ein Moment ergibt. Dieses Moment stellt unser Fahrrad wieder auf. Laut Herrn Isaak Newton sind wir jedoch ein träger Körper, der sich ohne Einfluss einer Kraft von außen einfach träge verhält – sprich: er kippt zur anderen Seite. Hier geht das Spiel von vorn los, über die Kreiselkräfte des kippenden Vorderrades lenkt dieses wieder ein, fährt eine Kurve und stellt sich entsprechend wieder auf. Unser instabiles System stabilisiert sich folglich selbst indem es permanent Kurven fährt – es schlingert.

Wie sehr es kippt, wie groß der Kurvenradius ist und in welcher Frequenz es schlingert ist von einer Vielzahl von Parametern abhängig:

  • Massenträgheitsmoment der Laufräder, abhängig von Radius, Massenverteilung und Masse
  • Fahrgeschwindigkeit
  • Schwerpunktshöhe von Bike incl. Fahrer
  • Lenkgeometrie – Lenkwinkel, Offset und Laufradgröße: Diese 3 Parameter ergeben den Nachlauf.

Wenn wir unsere Stabilität aktiv beeinflussen wollen, können wir am einfachsten am Nachlauf variieren. Hier gehen wir nun explizit auf den Wert des Offsets ein. Über einen längeren Offset verkürzen wir den Nachlauf. Der Nachlauf ist der Hebelarm des Rückstellmoments des Vorderrades. Durch die Verkürzung des Nachlaufs (=längerer Offset) wird unsere Lenkung reaktiver, agiler, im Extremfall ggf. auch nervöser. Durch dieses Plus an Agilität reagiert die Lenkung jedoch schneller auf ein Abkippen des Bikes – das Schlingern verringert sich, das Bike stabilisiert sich schneller. Anders ausgedrückt, die Amplitude des Schlingern verringert sich, die Frequenz des Schlingern erhöht sich. Hier ergibt sich ein augenscheinliches Paradoxon: Eine agilere/nervösere Lenkung  führt zu einem stabileren Verhalten des Gesamtbikes.

In der anderen Richtung ergibt sich durch ein Verkürzen des Offsets eine Verlängerung des Nachlaufs, was zu einer „steiferen“ und weniger reaktiven Lenkung führt, dadurch kippt das Rad weiter ab bevor es sich wieder aufstellt.

Hier gibt es kein „besser“ oder „schlechter“. Das Bike muß von seinem Verhalten einfach gut zum Fahrer passen.

Grundsätzlich hegen wir jedoch die Grundsatzempfehlung:

  • Steiler Lenkwinkel = kurzer Nachlauf -> Tendenz zum kürzeren Gabeloffset um die Lenkung zu Stabilisieren
  • Flacher Lenkwinkel = langer Nachlauf -> Tendenz zum längeren Gabeloffset um der Lenkung etwas Agilität einzuverleiben.

Eine Verstellung des Offsets ist für versierte Fahrer durchaus spürbar. Ein modernes DH-Bike hat einen Nachlauf von ca. 130 bis 140 mm – eine Differenz von 8 mm entsprechen etwa 6%. Dieselbe Nachlaufänderung ergibt sich übrigens auch durch eine Änderung des Lenkwinkels um 1° – versierte Fahrer spüren das definitiv. Aufgrund der Vielfalt der Parameter des Gesamtsystems macht es hier jedoch keinen Sinn, konkret den perfekten Wert zu berechnen – man muss es „erspüren“. Und hierzu eignet sich unser VPH-System perfekt – einfach in wenigen Minuten den Offset umstellen und ausprobieren anstatt sich eine neue Gabel zu kaufen.

Wer hier noch tiefer in das Thema eintauchen möchte, dem empfehle ich folgenden Link:

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