BIKE SMART, NOT HARD :-)

E-Bike Motor: Welche Steigung schafft mein Pedelec?

Von Drehmoment, Trittfrequenz, Leistung und Effizienz 

Wie ein Automotor funktioniert wissen wir meist – was Hubraum bedeutet oder PS, wozu der Drehzahlmesser da ist und wofür das maximale Drehmoment steht. Wir können uns sogar für Details wie für obenliegende Nockenwellen und die Anzahl der Ventile je Zylinder begeistern. Beim E-Auto wird es schwieriger, und beim E-Bike?

Deshalb möchte ich für mich und Euch als Leser etwas tiefer gehen als der klassische Motorenvergleich. Und auch das Thema, wo der E-Bike-Motor im Rahmen sitzt, soll hier nur untergeordnet eine Rolle spielen. Es kommt mir hier darauf an, über die Unterschiede in der Kraftentfaltung, in der Tretunterstützung, in der Auswirkung auf das Fahrverhalten zu sprechen.

Die Frage Mittelmotor oder Nabenmotor vorn/hinten lassen wir also zunächst beiseite. Wir wissen, dass der Mainstream momentan beim Mittelmotor liegt (siehe unser Vergleich der Mittelmotoren von Bosch, Brose, Shimano und Yamaha). Hinterradnabenmotoren folgen in der Verkaufszahl mit Abstand danach. E-Bikes mit Motor an der Vorderachse gibt es kaum noch, etwa in manchen Klapp-Ebikes.

Was sind nun die Merkmale, die uns darüberhinaus interessieren? Gerade beim Thema Steigungen kommt hier das Drehmoment ins Spiel.

Welche Rolle spielt das Drehmoment beim E-Bike-Motor?

Das Drehmoment ist das Produkt aus Kraft x Kraftarmlänge (beim Rad: Kurbelarmlänge, meist 17 oder 17,5 Zentimeter) – also die Power, die das System aus Motor und Muskelkraft auf die Antriebsachse oder zum Getriebe (Kettensystem, oder Nabenschaltung mit Kette, Riemen) bringt.

Beim E-Bike Motor ist es die Kraft, mit der Dich der Motor zusätzlich zu Deiner eigenen Kraft unterstützt.

Was bedeutet es nun, wenn Motoren Dich mit unterschiedlichen Drehmomenten versorgen? Und wirkt sich das auf die Einsatzmöglichkeiten des E-Bikes aus?

Drehmoment-Angaben verschiedener E-Bike-Motoren:

Zunächst ein paar Zahlen zu eingesetzten Motoren verschiedener Hersteller und E-Bike-Modelle:

  • Bafang Hinterradnabenmotor: 45 Nm – z. B. beim FISCHER Proline EM
  • Bafang Max Drive Mittelmotor: > 80Nm
  • Bosch Active Line Mittelmotor: 48 Nm
  • Performance Line CX: 75 Nm
  • Shimano Steps E8000 MTB: 70 Nm
  • Yamaha PW-Mittelmotor: Spitzendrehmoment: 80 Nm, kontinuierliches Drehmoment: bis 70 Nm
  • Yamaha PW-X-Mittelmotor: 90 Nm
  • Haibike Flyon / TQ-Z Motor: 120 Nm – Ein Vorbericht
  • Brose Mittelmotorsystem: 90 Nm – z.B. im FAB4 EL von Maxx
  • Kalkhoff Impulse Evo RS Mittelmotor: 80 Nm
  • AEG ComfortDrive Mittelmotor: Maximales Drehmoment 100 Nm – z.B. bei Prophete
  • GO SwissDrive Hinterrad-Nabenmotor: 40 Nm – z.B. im Vorradler S3E Pinion von Electrolyte
  • Panasonic XO Front Mount MTB mid drive: 75 Nm – z.B. im Flyer Uproc7 8.7Im Vergleich Motoren > 250 W Leistung – also nicht mehr Pedelecs:
  • Optibike MBB, 1500W with 175 Nm of Torque (USA, 28 mp/h)
  • Für die Schweizer SpeedPeds (1,5 kh leichter Motor, stufenlos bis 750 Watt regelbar) ist eine Steigfähigkeit von 45% angegeben (damit müsste das Drehmoment, zu dem ich momentan keine Angabe habe, im Bereich 140-180 Nm liegen)

Das maximale Drehmoment wird in der höchsten Unterstützungsstufe (Fahrmodus Turbo, High, oder auch Extra – je nach System und Hersteller) abgegeben und abhängig von der Kraft, die Du selbst an die Pedale weitergibst.

An der Auflistung erkennst du schon: Mittelmotore liefern das größte Drehmoment. Deshalb sind sie bei E-Bikes im E-MTB und Trecking-Bereich die geeignetste Motorart. Hier geht es schließlich oft mal steil bergauf, oder Steigungen ziehen sich im hügeligen bis bergigen Gelände.

Am stärksten spürst Du (und wirkt) das Drehmoment im „Drehzahlkeller“ des Motors, wenn Dich das E-Bike fast aus dem Stand heraus unterstützt, und in der Unterstützung bei steilen Anstiegen und längeren Steigungen.

Einen „Drehzahlmesser“ haben meines Wissens nicht alle E-Bike-Displays. Ich kenne die Anzeige von meinem Yamaha-Display: Hier werden die rpm (rounds per minute = U/min) angezeigt. Im Intuvia-Display von Bosch werden keine Trittfrequenz-Angaben angezeigt, sondern mit einem kleinen Pfeil oben links in der Anzeige Schaltempfehlungen gegeben wie beim Auto heute üblich.

Praxis: Welches Drehmoment für welche Steigung?

Für die meisten Fahrer und Motoren stellen tatsächlich Steigungen die größtem Ansprüche an die körperliche Fitness und die Motorpower. An der flachen Küste kann das natürlich auch mal starker Gegenwind sein.

Aber am spannendsten finde ich das Thema Steigungen (-> siehe unser Fahrbericht: Mit dem E-Bike auf die Kampenwand„). Ein interessanter Grundlagenartikel von Dieter Drewanz (-> PDF) aus 2015 zeigt die Auswirkungen unterschiedlicher Drehmomente für die „Steigfähigkeit“ mit dem E-Bike.

Eine Steigung von 12% entspricht oft den steileren Auffahrten bei Tiefgaragen. Eine Steigung von >20% tritt meist nur auf Nebenstrecken in den Bergen auf. An der Kampenwand sind es stellenweise 22%.

„Bei 12% Steigung wäre das notwendige Drehmoment 40 Nm. Ein Motor mit 40Nm würde bei einem 26“-Rad maximal eine Unterstützung bis 12% Steigung ermöglichen bei reinem Motorbetrieb ohne zusätzliche Tretunterstützung. Für eine Unterstützung im Alltagsbetrieb sind das durchaus taugliche Werte für einen Motorantrieb…“

„Für das Gesamtgewicht von 100kg … ergibt sich bei 16% Steigung eine Hangabtriebskraft von 160N. Bei einem 26“ Rad (Radius 32,5 cm gemessen, Felge plus Mantel) ergibt sich somit ein Drehmoment von 52 Nm … Damit das Rad nicht die Schräge herunter rollt, muss entweder eine Gegenkraft von 160N oder ein Drehmoment von 52 Nm aufgewendet werden. „

60 Nm ermöglichen bei einem Rad mit  26″-Felgen (Radius inkl. Reifen 32,5cm) eine Steigung von 23,3%.

Die Tiefgaragenausfahrt sollte man also mit einem fitten Akku und Hinterradnabenmotor gut hochkommen, mit einem guten Mittelmotor mit 83 Nm schafft man auch steile Anstiege in den Alpen mit rund 25% Steigung oder 14° Steigungswinkel (bei gutem Grip und gutem Akku!). Für 90% Unterstützung sind bei 25% Steigung 80 Nm nötig.

Für die Steigungen, wie sie mit aktuellen E-MTB, besonders den All-Mountain- und Endoro-E-Bikes möglich sind, muss also ein möglichst hohes Drehmoment den E-Biker unterstützen.

Noch steilere Climbs als 25%, eventuell bei losem Untergrund, erfordern noch mehr Drehmoment. Entsprechende Drehmomentwerte von > 100 Nm, wie beim Haibike Modell Flyon, waren in dem Artikel aus 2015 natürlich noch nicht in den Berechnungen berücksichtigt …

Die Trittkraft steuert die Leistung – Schaltfaules Fahren kostet Akkupower

Das besondere beim Pedelec ist ja, dass die Motorleistung nicht wie beim Auto über ein Gaspedal gesteuert wird, sondern durch die Tretleistung des Fahrers. Sensoren messen Trittfrequenz (hier ausführlicher über die beste E-Bike Trittfrequenz) und Tretkraft. Zusammen mit der gewählten Unterstützungsstufe wird daraus die Leistung berechnet, die der Motor bringen soll.

Während Autos mit niedriger Drehzahl am sparsamsten laufen, kommt man auf dem Pedelec mit Mittelmotor mit höheren Drehzahlen am weitesten, in der Regel bei einer Trittfrequenz von 75 bis 85 Kurbelumdrehungen pro Minute.

In schweren Gängen bei langsamer Trittfrequenz muss der Motor mehr arbeiten als der Mensch – das kostet Strom. Bei zu hoher Trittfrequenz hingegen kommt der Motor nur sehr schwach zum Einsatz und man selbst ins Schwitzen.

Fitness: Akku und Gelenke profitieren von höheren Trittfrequenzen

“Flottes, lockeres Treten ist auch für Muskulatur, Kreislauf und insbesondere die Kniegelenke deutlich gesünder, als mit langsamem Tritt schwere Gänge zu drücken”, fasst Gunnar Fehlau vom Pressedienst Fahrrad die Meinung von Sportmedizinern zusammen, die sich auf das Fahren mit dem E-Bike übertragen lässt.

Sind eigene Tretkraft und Motorleistung optimal ausbalanciert, läuft das System Mensch-Elektromotor am effizientesten. Dann ist auch die Reichweite einer Akkuladung ist am größten (siehe auch unsere Artikelserie „Alles zur E-Bike Reichweite„),

Weil der Motor des Pedelecs beim langsamen Treten viel Leistung hinzugibt, lassen sich ungeübte Fahrer gern zum „schaltfaulen“ Fahren verführen: Sie fahren im schweren Gang an. Doch damit steigt auch der Stromverbrauch rapide.

Deshalb Gunnar Fehlaus Tipp für E-Bike-Einsteiger:

„Locker in einem leichten Gang anfahren, also mit etwa 50 Pedalumdrehungen. Dann beschleunigen und alle fünf oder zehn Meter einen Gang schwerer schalten, bis man mit 60 bis 70 Umdrehungen im Reisetempo rollt.

Wieviel Kraft kommt auf der Straße, dem Schotter oder dem Trail an?

Nach der Formel Leistung = Drehmoment x Winkelgeschwindigkeit hängt die Leistung stark von der „Drehzahl“ beim Radeln, sprich der Trittfrequenz oder „Kadenz“ ab. Wieviel Leistung aus der kombinierten Bewegung und Kraft von Beinen und Motor auf der Straße tatsächlich ankommt, hängt dann noch von weiteren Fakoren ab:  Von der Art der Kraftübertragung aufs (allermeistens) Hinterrad und von der Bereifung bzw. vom „Grip“. Nicht umsonst haben Formel-1-Renner breite „Schlappen“, und sportliche E-MTBs für besonders steile Anstiege immer öfter Reifen mit 2.6 oder 2.8 Zoll Breite.

Abseits der Formel 1 bietet sich der Vergleich mit Standardmotorisierungen bei Renault Twingo and Smart ForTwo an: Auch diese haben Ihre Leistungsmaximum bei einem Drehmoment von etwa 90 Nm.

Wie hängen Trittfrequenz und Drehmoment zusammen?

Bei niedriger Trittfrequenz und hoher Kraft wird das maximale Drehmoment des Motors zur Unterstützung benötigt. Also beim Anfahren, bei steilen Passagen, beim kurzfristigen starken Beschleunigen. Bei höherer Trittfrequenz unterstützt das Drehmoment z.B. besonders bei langen Steigungen und bei Gegenwind. Je höher das verfügbare maximale Drehmoment, desto „flacher“ fühlen sich Steigungen an.

Eine Trittfrequenz von > 75 Umdrehungen pro Minute empfiehlt übrigens auch die Sportmedizin. Je höher die Trittfrequenz, desto weniger Kraft wird bei gleicher Leistung benötigt – von Kniegelenken wie vom Motor. Deshalb ist das auch akkusparend und besonders effektiv.

Übrigens wirst du als Patient in der Reha auf 75 u/min trainiert – das ist die unterste Grenze, die man dort treten sollte, um Kniebelastungen möglichst gering zu halten. Deshalb gilt:

Zum starken Motor gehört eine ausreichend abgestufte Schaltung

Deshalb machen gute Schaltungen mit hoher Übersetzungsbandbreite z.B. am Berg Sinn: Damit kann ich auch bei langsamen Geschwindigkeiten (oder beim Anfahren) mit relativ hoher Trittfrequenz im optimalen Bereich fahren.

Du fährst ja auch mit dem Auto nicht im vierten Gang den Berg hoch oder an der Ampel los…

Kettensysteme sind in der Kraftübertragung in der Regel etwas effektiver als Nabenschaltungen. Deshalb setzen E-MTBs vor allem auf diese Schaltungen etwa von Shimano. An Vielzweck- und Trecking-Bikes machen auch Nabenschaltungen mit guter Gangabstufung (z.B. 14 Gang) Sinn.

Einige automatische Schaltungen wie die elektronische 14-Gang-Nabenschaltung Rohloff E-14 schalten beim Anhalten übrigens automatisch in den niedrigsten Gang runter – eingesetzt etwa beim Riese & Müller Delite Mountain Rohloff – nachzulesen in unserer Besprechung des R&M Delite. Ein sehr sinnvolles Feature, gerade für noch nicht so erfahrene oder weniger schaltfreudige E-Biker.

Habt Ihr Korrekturen oder Ergänzungen? Sehr gerne unten in den Kommentaren – danke!

Author: ebikespass

E-Bikes verbinden für mich ideal Frischluft, Bewegung, Fitness und eine ordentliche Entdeckungsreichweite ... Ich habe früher Motorradfahren genossen - E-Bikes bieten noch mehr Spass - und sind dabei gut für die Umwelt, den Körper und die Seele! Was brachte Euch zum E-Biken? Was macht am meisten Spass, was ärgert Euch? Stellt Ihr Euch noch Fragen vor dem Kauf? Gerne in den Kommentaren Fragen stellen oder Eure Anregungen und Kritik - wir antworten!

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7 Kommentare

  1. Ist denn ein direkter Drehmoment-Vergleich von Mittel- und Nabenmotoren korrekt? Nabenmotoren-Momente sind doch „effektive“ Drehmomente direkt an der Fahrbahn, die Momente der Mittelmotoren kommen hingegen über das Übersetzungsverhältnis des Antriebes verändert an, oder nicht?

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    • Der größte Unterschied liegt meines Wissen darin, dass der Hinterradmotor ohne weiteres „Getriebe“ wie Kette oder Riemen die Kraft übertragen kann. Insofern gleicht das ein paar Newtonmeter aus, ja – vielleicht 10% bei einem Riemenantrieb und 5% bei Kette (grobe Schätzung – wer genaueres weiß kann gerne korrigieren). Die Stärke der Trittunterstützung wird v.a. übers Drehmoment erreicht, von 125% bis 360%. Daraus resultiert dann die Gesamtkraft, die sich z.B. bei Steigungen bemerkbar macht. Hier macht der Unterschied zwischen 50 NM und 70NM oder 90NM schon einiges aus. Auch der Reifendruck ist übrigens wichtig, der sollte nicht zu niedrig sein, gerade bei diesem City-E-Bike. Sonst kostet das nochmals einige Prozent an Vorschub.

    • Der Unterschied ist natürlich NICHT ein paar prozent hin oder her.

      Beim Hintetradmotor sitzt das Drehmment unmittelbar am Hinterrad und das dreht sich dann z.B. mit 210 U/min.

      Beim Mittelmotor sitzt das Drehmoment am tretlager und das dreht sich vielleicht mit 70 U/min. Um dieselbe Geschwindigkeit zu erreichen wird es dann zum Hintetard mit 1:3 untersetzt, von dem 75Nm am Tretlager kommen also hinten noch 25Nm an.

      Der Bergvorteil der Mittelmotoren ergibt sich erst, wenn man mit sehr kleinen Gängen und entsprechend kleineren Untersetzungen fährt, dann kommen hinten bei keiner Geschwindigkeit auch sehr hohe Drehmomente an.

      Weiterhin sind diese Angaben sowieso alle an der Grenze zur Lüge und haben mit der Realität wenig zu tun.

      mechanische Leistung P(M) = 2 * Pi * M * n mit M = Drehmoment in Nm und n = Drehzahl in 1/s

      Nehmen wir wieder unseren Mittelmotor mit angeblich 75Nm. Würde man jetzt mit 70U/min kurbeln macht das eine Drehzahl von n= 1,17/s und damit eine Leistung von
      P(M) = 550W. Das ist gerade noch so denkbar, wenn man sich die Leistungsaufnahme der Motoren aus dem Akku anschaut und einen Wirkunsgrad von optimitisch 80% annimmt.

      Ob so ein Motor noch Pedeleckonform ist ist eine ganz andere Frage, derzeit scheint man das so zu tolerieren.

      Höhere Werte bei Mittelmotoren sind reine Phantasie (außer die Antriebe ziehen entsprechend extrem hohe Leistungen aus dem Akku) bzw sie treten bei sehr niedrigen Drehzahlen auf, die man außer beim Anfahren auf den ersten 3 Metern sonst nie tritt.

      Analoges gilt für Heckmotoren. Ein Heckmotor mit 40Nm liefert bei 25km/h im 28″ Laufrad (entspricht 3,2/s) eine mechanische Leistung von fast 800W, muss also wenigstens 1000W aus dem Akku ziehen.
      Das kommt bei manchen Systemen heute so vor, aber auch hier gilt, dass größere Werte sehr wahrscheinlich nur noch reine Phantasieangaben sind.

      Man soll sich als Käufer nicht von solchen Zahlen verarschen lassen.

    • Hallo Ceph, erstmal herzlichen Dank für Deine Antwort an den Fragesteller und Deinen Kommentar hier im Blog. Ich freue mich über eine kompetente Beteiligung hier. Wenn ich Dich richtig verstehe, triffst Du drei Aussagen:

      • Die Drehmomentangaben der Hersteller sollten nicht einfach geglaubt werden, egal welche Motorart
      • Größere Werte als 40 Nm bei Heckmotoren oder 75Nm bei Mittelmotoren hältst Du eher für Phantasieangaben
      • Drehmomentwerte von Hinterrad- und Mittelmotoren können nicht direkt verglichen werden und sagen daher nicht viel aus über die effektiv Unterstützung z.B. beim Anfahren oder an Steigungen.

      Habe ich Dich richtig interpretiert?
      Meine eigenen natürlich subjektiven Beobachtungen sind folgende, natürlich bei vergleichbarer Gangeinstellung, beides per Kette geschaltet:

      • Die Unterstützung beim Anfahren (Ampel, flache Strecke) kann bei Heckmotoren ähnlich stark sein wie bei Mittelmotoren. Ich vergleiche hier den Bafang Heckmotor am Coboc TEN Torino mit maximal eingestelltem „Initial Boost“ mit den Yamaha PW Mittelmotor meines Haibike SDURO HardSeven, etwa in Stufe Standard. Stufe High am Mittelmotor macht m.E. beim Anfahren in der Stadt im normalen Verkehr keinen Sinn, da zu schnell.
      • Die Unterstützung am Berg (ca. 10-12% Steigung) wirkt beim Bafang Heckmotor am Coboc TEN Torino mit maximal eingestellter „Power“ etwa so wie der Yamaha PW Mittelmotor, hier in Stufe Standard (Stufe drei von vier Stufen: Eco+ – ECO – Standard – High).

      Für mich passt das zu den angegebenen Drehmomenten von etwa 45Nm (Bafang) bzw. 70Nm (Yamaha PW) – Werte von hier.

      Was für mich durchaus plausibel ist: Motoren, die die Getriebeübersetzung mit nutzen können (wie die meisten Mittelmotoren, z.B. der TQ-Motor mit dem neuartigen Pin Ring-Getriebe), sind besser optimierbar (Temperatur, Wirkungsgrad) als Motoren, die dies nicht können (getriebelose Nabenmotoren).

      Dass etwa die Firma TQ-Systems es nötig hat oder sich leisten kann, mit 120Nm beim TQ-Motor (wie im M1 Spitzing oder Haibike FLYON eingesetzt) eine Phantasiezahl anzugeben, finde ich schwer nachvollziehbar. Allerdings sprach einer der TQ-Motorenentwickler, Toni Rossberger, im Interview (Video eingebettet hier) tatsächlich davon, dass mit dieser Leistung eine Grenze erreicht sei. Ob dies an der dann fehlenden Traktion, der Materialbeanspuchung, der Radgeometrie oder der Motortechnik liegt, verriet er nicht.

      Zur Ausgangsfrage hier von Peter Reichel würde ich nochmal formulieren: Die Nabenmotoren-Drehomente kommen tatsächlich direkt an der Fahrbahn an, wenn der Nabenmotor kein eingebautes Getriebe besitzt. Beim Mittelmotor können im kleinen Gang und über längere Beanspruchung am Berg trotzdem seine höheren Drehmomente an der Fahrbahn ankommen, eventuell ist er dann auch effektiver, was die Leistungsnutzung angeht. Kannst Du da mitgehen, Ceph?

    • Ein Getriebe ist ein Drehzahl und Momentenwandler. Mit einem entsprechenden Getriebe könnte mich auch eine Taschenuhr die Einfahrt oder den Berg hochziehen. Extrem langsam natürlich. Daher muss man das Getriebe natürlich bei einem Vergleich mitberücksichtigen.
      Die reine Nm Angabe ist sinnlos, es braucht Motorkennlinien um den besseren auf dem Papier bestimmen zu können. Die bekommt man aber recht schwer als Kunde.

    • Ich habe die SpeedPeds in die Vergleichsliste aufgenommen. Kannst Du etwas mehr Info dazu geben, den Nm-Wert? Gerne auch Fahrbericht, Bilder, Videos (die Website habe ich gesehen). Mit etwas mehr Hintergrund könnte ich hier darüber berichten, über den Spass mit dem Speed …

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