Gibt es eine optimale Trittfrequenz beim E-Bike?

Gepostet Von ebikespass am 14. Aug 2018 in Technik | 13 Kommentare

Die Frage nach der optimalen E-Bike-Trittfrequenz lässt sich auch so stellen: Mit mehr Kraft bei jeder Umdrehung in die Pedale steigen, dafür weniger schnell die Kurbel drehen? Oder schneller treten bei weniger Beinkraft und die gleiche Leistung / Geschwindigkeit erzeugen?

Was ist effektiver und besser – für den Körper und seine Leistungsfähigkeit bzw. für den E-Bike-Motor, seine Effektivität und Belastung? Bei Steigungen, bei Gegenwind, auf Tour?

Selbst im Radsport kann man unterschiedliche Tretgeschwindigkeiten und Fahrstile beobachten: Jan Ullrich fuhr lieber mit etwas mehr Kraft, dafür weniger Umdrehungen/Minute, Lance Armstrong mit schnellerem Tritt, dafür weniger Kraft.

Was aber wäre eine ideale Trittfrequenz?

Eigentlich ganz einfach:

Die, bei der Du bei gleicher Geschwindigkeit und gleichem Streckentyp die geringste körperliche Kraft aufwenden musst und Du die geringste Belastung von Herz, Kreislauf, Muskeln und Gelenken hast. 

Die Trittfrequenz wird von Nicht-Profis gerne unterschätzt: Sie ist neben Deinem Krafteinsatz und der Wahl der Fahrstufe die größte Stellschraube während der Fahrt für Motorleistung und Akku-Reichweite – und für die Körperbelastung.

Hier eine kleine Herleitung zur Trittfrequenz

Hier zunächst etwas Technik und Zahlen – zur Gesundheit komme ich weiter unten.

Möchtest Du die gleiche Leistung bei möglichst geringem Krafteinsatz erreichen, kommt zunächst der Weg ins Spiel: denn wie wir aus der Schule wissen, ergibt Kraft x Weg die geleistete Arbeit (Beispiel: Flaschenzug). Und der kreisförmige Weg, den Du mit dem Fuß beim Pedalieren zurücklegst, ist bei schnellerem Treten – höherer Trittfrequenz – je Zeiteinheit länger.

Deine Kraft setzt sich beim Radfahren, vereinfacht gesagt, zunächst mit der fixen Kurbellänge (die liegt in der Regel bei 17 -17,5 cm) zum Drehmoment zusammen, ergibt sozusagen eine „Energie pro Winkel“. Das Drehmoment hat die gleiche physikalische Einheit wie die Arbeit, nämlich Newtonmeter. Man sagt aber Drehmoment und nicht Arbeit, weil die Kraftabgabe hier nicht kontinuierlich über die Weglänge erfolgt, sondern je nach Winkel unterschiedlich ist und mathematisch anders berechnet wird. Die größte Kraft kannst Du übrigens in dem Moment abgeben, in der die Kurbel exakt waagerecht steht und Du sie abwärts drückst. Diese Kraft entspricht beim Menschen ungefähr seinem Körpergewicht. Die geringste Kraft gibst Du ab, wenn sich Dein Bein aufwärts bewegt.

Für die Leistung wird nun noch die Zeit einbezogen, in unserem Fall über die Dreh- oder Winkelgeschwindigkeit der Pedalbewegung: Die Leistung ergibt sich dann aus der Gleichung Leistung = Drehmoment x Winkelgeschwindigkeit.

Das heißt, die Winkelgeschwindigkeit der Fahrradkurbel ist neben der Beinkraft und der Fahrstufe die wichtigste variable Größe für die Leistung während der Fahrt – womit wir bei der Trittfrequenz wären.

Wie hoch ist die ideale Trittfrequenz also, um im idealen Bereich des Systems Mensch / Maschine zu fahren? Immer wieder liest man die Empfehlung, dass die für E-Bike-Mittelmotoren effektivste „Kadenz“, also Trittfolge oder Umdrehungszahl, bei 70 bis 80 U/min liege.

Das schien mir anfangs allerdings recht hoch – man kann beim E-Bike ja auch mit weniger Umdrehungen gute Unterstützung vom Motor erhalten.

Warum 70 Pedalumdrehungen je Minute und mehr?

E-Bike-Neueinsteiger müssen sich, so wie es uns auch ergangen ist, erst einmal daran gewöhnen: Oft erscheinen schon 60 Pedalumdrehungen pro Minute als ausreichend und intuitiv richtig. Das ist wohl auch beim normalen Fahrrad die effizienteste Trittgeschwindigkeit – angeblich ist dabei der Wirkungsgrad der Muskulatur am größten.

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Ich selbst fahre inzwischen mit dem Haibike SDURO HardSeven mit dem Yamaha PW-Motor am liebsten in den Trittfrequenzen zwischen 70 und 80 Umdrehungen. Am Display kann ich die rpm – rounds per minute – ablesen. Mehr zu meinen praktischen Erfahrungen mit der Trittfrequenz im Beitrag „Mit dem E-Bike ins Priental“. Hier geht es nun weiter um Motor-Effektivität, Körperbelastung und Akku-Reichweite.

Technisch geht es bei der Trittfrequenz ums Drehmoment,
körperlich um Kreislauf und Gelenke

Bei der Empfehlung von 70-80 U/min geht es einmal um die Effektivität des Motors. Manche E-Bike-Fahrer fühlen sich mit 85 U/min auf dem Trekking-E-Bike und 85-95 U/min auf dem E-MTB am wohlsten und messen, dass ihr Akku dabei am weitesten reicht.

Effektiv heisst hier auf den Motor bezogen, dass die eingesetzte Leistung, die nämlich aus dem Akku gezogen wird, möglichst verlustfrei an den Motor und zur Unterstützung der Körperkraft abgegeben wird. Verlustfrei heißt in der Motortechnik vor allem: mit möglichst geringer Wärmeentwicklung. Denn ein E-Bike-Motor, der die Akkuleistung in Wärme umsetzt, kann weniger davon an den Motor und die Tretkurbel abgeben. Jeder Motor hat einen Bereich, in dem er aus der zur Verfügung stehenden Energie die größte Power entwickeln kann.

Beim Auto ist das ja ähnlich. Es gibt in der Drehmomentkurve einen Punkt, an der die beste Leistung abgegeben wird. Beispiel: Ein Motor hat bei einer Drehzahl von 4000 U/min ein Drehmoment von 155 Nm anliegen. Dies entspricht dann einer Leistung von 64,9 kW oder 83,3 PS. Unterhalb einer Mindestdrehzahl funktioniert der Verbrennungsmotor nicht. Er kann nicht aus dem Stand loslaufen wie ein Elektromotor. Bei niedriger Drehzahl beschleunigt das Auto schlecht, anfahren an der Ampel ohne Kupplung oder im dritten Gang würgt den Motor wegen der zu niedrigen Drehzahl und dem im Drehmomentkeller fehlenden Drehmoment ab. Wie breit oder eng der optimale Drehzahlbereich beim Auto ist, das hängt von der Motorcharakteristik ab (Hubraum, Turbounterstützung, Ventile und Steuerung…).

Ähnlich ist das beim E-Bike.

Die Trittfrequenz entscheidet über die Reichweite mit

In einer Diskussion in der Facebook-Gruppe „E-Bike +Pedelecs, Austausch,Infos,Touren,und mehr ohne Tuning“ zu unserem Artikel namens „E-Bike Motor: Welche Steigung schafft mein Pedelec?“ machte sich ein Entwicklungsingenieur sogar die Arbeit, Effektivität und Wärmeverlust beim E-Bike-Motor rechnerisch zu überschlagen.

Ich zitiere hier seinen Post mit seiner Einwilligung, leicht gekürzt:

Nun wollte ich auch mal wissen, wie groß der Einfluss der Trittfrequenz ist und habe hierfür ein kleines Beispiel gerechnet… Bei den Maschinen gibt es drei verschiedene Verlustarten … Die Stromwärmeverluste sind die dominierenden, so dass ich nur diese im Beispiel betrachte. Hierfür habe ich paar Werte angenommen und den Unterschied für Trittfrequenzen von 50 1/min und 85 1/min berechnet.

Seine Berechnung geht von einer Leistung von 150 W aus, das heißt mittlere Unterstützungsstufe beim E-Bike-Motor:

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Hier der Link zur Diskussion, man muss der Gruppe beigetreten sein, um den Artikel und die Kommentare anzusehen.

Sein Ergebnis:

Bei der niedrigen Trittfrequenz von 50 1/min und mittlerer Tretunterstützung / Fahrstufe (Leistung: 150 W) sind die Stromwärmeverluste dreimal so groß wie bei 85 1/min. Der Wirkungsgrad des Motors ist bei nur 50 Umdrehungen pro Minute um 24,5% geringer als bei 85 U/min!

In der Praxis sind das ebene Strecken, leichte Steigungen oder Gegenwind-Passagen, die man so fährt. Gerade die verleiten zum schaltfaulen Fahren, zum langsameren Treten. So ist der E-Bike-Pedalist vielleicht recht häufig mit einer sub-optimalen Effektivität unterwegs, und wundert sich vielleicht über eine um 30% geringere Reichweite als angegeben …

Bei einer Berechnung mit 250 W (der beim Pedelec-Motor  maximalen Leistung) kommt immer noch ein Unterschied in der Effektivität von 82% zu 93% heraus. In der Praxis: Gerade auf Strecken, wo man den High- oder Turbo-Modus bemüht, verschenkt man bei zu geringer Trittfrequenz zehn Prozent der Leistung an die Wärmeproduktion.

Sowohl auf gerader Strecke als auch an Steigungen, im Gegenwind, bei längeren Anstiegen – da wo der Akku besonders gefordert ist –  komme ich mit höherer Trittfrequenz wegen der besseren Leistungsnutzung durch den Motor am Ende des Tages tatsächlich auf eine etwas bessere Reichweite insgesamt.

Reichweitenrechner von Bosch korrekt?

Im Reichweitenrechner von Bosch eBike Systems schlägt sich der Unterschied zwischen z.B. unter 60 U/min Trittfrequenz gegenüber > 70 U/min mit einer Differenz von nur ca. 2 km Reichweite nieder. In den Bereichen ab 90 U/min nimmt die Reichweite wieder leicht ab. Ob das mit nur 2 km Unterschied wirklich stimmt?? Auf der hervorragenden Website von Elektrorad-Mott habe ich gelesen, dass er das auch für zu wenig hält:

Die genaue Trittfrequenz U/min wird leider nicht am BOSCH Display angezeigt. Was hilft ist die Schaltempfehlung, die im BOSCH Display als kleine Dreiecke erscheint. Sie zeigt an, ob Sie zu langsam oder zu schnell treten. Viele treten zu langsam, was sich im Stromverbrauch erfahrungsgemäß viel mehr niederschlägt, als der BOSCH Reichweiten-Assistent berechnet. (Quelle)

Auch einige andere Kommentare auf Facebook sprechen aus eigener Beobachtung dafür, dass eine zu niedrige Trittfrequenz die Reichweite deutlicher beeinflusst. Genauso wie die oben abgebildete Berechnung dafür spricht. Vielleicht kann uns Bosch hierzu aufklären?

Eine letzter Hinweis zur Motortechnik: Eine Obergrenze greift nicht nur bei der Geschwindigkeit (max. 25km/h), sondern auch bei der Trittfrequenz, ab der der Motor keine Kraft mehr liefert: Der Yamaha PW-Motor unterstützt etwa Trittfrequenzen bis zu 100 U/min, der PW-X Motor bis zu 120 U/min. Motoren bei S-Pedelecs unterstützen noch etwas weiter.

Neben der Motortechnik und Akkureichweite nicht zu vergessen: Auch die Materialbelastung von Kette, Ritzeln, Getriebe usw. liegt bei niedrigen Trittfrequenzen höher.

Abseits der Technik gibt es noch weitere Vorteile etwas höherer Trittfrequenzen:

Bessere Durchblutung und mehr Schonung für die Kniegelenke

Bei hohen Trittfrequenzen sind die Phasen der Anspannung kürzer, so dass der Blutfluss innerhalb eines Muskels nur kurz gestört ist. Während einer Kontraktion werden die Blutgefäße komprimiert und die Zirkulation des Blutes behindert. Die ist aber für den Sauerstoff- und Nährstofftransport wichtig. Auch die Stoffwechselzwischenprodukte wie z. B. das Laktat werden über einen guten Blutfluss besser abtransportiert.

Besser für die Gelenke ist eine höhere  Trittfrequenz – den die Belasstungsspitzen sind kürzer und oft geringer. Eine Trittfrequenz von > 75 Umdrehungen pro Minute wird übrigens sportmedizinisch empfohlen. Übrigens wirst du als Patient in der Reha auf 75u/min trainiert – das gilt als untere Grenze, um Kniebelastungen möglichst gering zu halten.

Die optimale E-Bike Trittfrequenz –
für Freizeit, Touren, Berge und Trails

Es gibt sie wirklich, wie in der Einleitung schon beschrieben, die optimale Trittfrequenz: Die Trittfrequenz, bei der Du bei gleicher Fahrleistung die geringste Kraft aufwenden musst.

In Zahlen ausgedrückt und vom Motor her betrachtet scheint sie zwischen 70 und 90 Umdrehungen/Minute zu liegen. Vom Menschen her betrachtet, ebenfalls ab 75 U/min, was ich der Empfehlung von Reha-Ärzten für ein möglichst gelenkschonendes Training entnehme.

Das Gesamtsystem Mensch/Motor könnte demnach um 75 U/min herum am effizientesten arbeiten.

Egal ob auf gerader Strecke, ob im Gegenwind, an Steigungen… das gilt nach dem oben gesagten nicht nur für die ganz sportlichen auf dem Trail, sondern für alle E-Bike-Fahrer vom Einsteiger über die Freizeit- und Tourenfahrer, Pendler und die vielen E-MTB-Fahrer jeden Engagements.

Um die ideale Trittfrequenz beizubehalten, ist schalten angesagt. Die Wahl der persönlich am besten geeigneten Schaltung ist bei den vielen Optionen allerdings, die es inzwischen gibt, eine andere Geschichte. Genauso wie das Ansprechverhalten und der Charakter der Leistungsentfaltung bei den Motoren. Yamahas PW-X spricht zum Beispiel schneller an als der Yamaha-PW und ist dafür noch besser für das Anfahren an steilen Stellen und Hinternissen geeignet. Auch das kommende Flyon mit TQ-Motor (mehr zum Haibike FLYON) legt dazu mit dem neuen Getriebe vor. Auch hier: Demnächst mehr in diesem Theater!

Trittfrequenz anno 1820 :-):

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Quellen:
Bildquelle des Beitragsbildes: www.pd-f.de / haibike