E-Power: Die Position entscheidet

[pd-f/tg] Historische Patentschriften zeigen: Erste Elektrofahrräder waren bereits um 1895 auf europäischen Straßen unterwegs. Und ihre Vorteile waren damals schon bekannt: ein großes Drehmoment aus dem Stand und ein hoher Wirkungsgrad im Gegensatz zu Dampfmaschine oder Verbrennungsmotor. In ihrer Form ähnelten die Antriebe dabei sogar den heutigen Modellen: Entweder waren sie als Nabenmotor im Vorder- oder Hinterrad oder als Tretlagermotor verbaut. Und genau diese Frage der Platzierung des Motors beschäftigt Produktentwickler bis heute.

 

Wie rasant sich der gesamte E-Bike-Markt in den letzten Jahre gewandelt hat, zeigt hier am besten das Beispiel des Vorderradnabenmotors: Anfänglich an so gut wie jedem E-Bike verbaut, ist diese Gattung heute nur noch im Einstiegsbereich zu finden.

Die Beziehung von Drehzahl und Drehmoment

Doch bevor es um die Vorzüge der einzelnen Motorpositionen geht, kurz ein paar allgemeine Fakten zum Elektromotor. Diese beziehen sich auf Pedelecs, da diese Räder mit über 95 Prozent Marktanteil die gängigste Form der Anwendung sind.

Für die Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische werden beim Elektrofahrrad fast ausnahmslos Gleichstrommotoren verwendet. Sie unterstützen das Pedalieren beim Pedelec bis zu einer Geschwindigkeit von 25 km/h und haben eine maximale Nennleistung von 250 Watt.

Die Leistung des Motors berechnet sich durch die Multiplikation aus Drehmoment und Drehzahl. „Bei hohen Beanspruchungen wie Bergfahrten kann der Elektromotor eine durchaus höhere Spitzenleistung als die Nennleistung von 250 Watt bringen,“ so Anja Knaus, Pressesprecherin beim E-Bike-Pionier Flyer.

Pedalieren ist Pflicht, von Nichts kommt nichts

Das besondere beim Pedelec ist, dass die Motorleistung nicht wie beim Auto über ein Gaspedal gesteuert wird, sondern durch die Tretleistung des Fahrers. Sensoren messen dessen Trittfrequenz und Tretkraft. Zusammen mit dem vom Fahrer gewählten Unterstützungsgrad wird dann die Leistung berechnet, die der Motor bringen soll.

„In der Praxis fühlt sich das an, als hätte man zum Fahrradfahren einen Zaubertrank von Miraculix und richtig große Muskeln in den Beinen bekommen. Das macht dann natürlich Spaß“, beschreibt Markus Riese, Geschäftsführer von Riese & Müller.

Durch die unterschiedlichen Unterstützungsmodi eines jeden Systems kann der E-Biker selbst entscheiden, welchen „Wumms“ er gerne spüren möchte. Jedes Motorkonzept hat jedoch eine unterschiedliche Charakteristik, weshalb die Angaben zum maximalen Drehmoment variieren. „Es ist deshalb ein Fehler zu denken: Je höher das Drehmoment, desto besser.

Hier spielen noch mehr Faktoren eine Rolle und die Drehmomente verschiedener Motorkonzepte und -positionen sind nicht eins zu eins vergleichbar“, erklärt Florian Niklaus, Entwickler beim Schweinfurter Hersteller Winora.

Das Gute aus der Mitte

Wegbereiter des Mittelmotors waren die japanischen Hersteller Yamaha und Panasonic, die schon Anfang der Neunziger in Serie fertigten. Mit dem Markteinstieg von Bosch 2010 hat diese Antriebsversion ihren endgültigen Durchbruch erreicht. Mittlerweile hat der Tretlagermotor in Deutschland die größte Verbreitung.

Der große Vorteil des Mittelmotors liegt darin, dass er über ein Schaltgetriebe wie Ketten- oder Nabenschaltung mit dem Hinterrad verbunden ist. Durch die Gangschaltung kann man, wie beim Fahrrad ohne E-Antrieb, abhängig von der Fahrgeschwindigkeit die Übersetzung ändern. Dadurch kann der Motor in seinem günstigsten Wirkungsgradbereich und der höchsten Leistungsabgabe arbeiten.

„Vor allem beim Bergauffahren ist dadurch die Reichweite deutlich größer als beim Nabenmotor, es wird ein Überhitzen vermieden und im kleinen Gang ist auch das Drehmoment am Hinterrad viel größer. Ein Nabenmotor ist hingegen wie ein Fixie ein Eingangmodell und nur für einen schmalen Geschwindigkeitsbereich gut“, erklärt Markus Riese.

Zudem besitzen die Mittelmotoren ein Getriebe, das heißt eine interne Übersetzung, um im optimalen Wirkungsgrad zu arbeiten. Der schweizerische E-Bike-Pionier Flyer präsentiert in Zusammenarbeit mit Panasonic in dieser Saison sogar einen Motor mit integriertem Zwei-Gang-Getriebe. „Dadurch wird das Gangspektrum nochmals erhöht und der Fahrer befindet sich in jeder Situation im optimalen Drehmomentbereich des Motors“, beschreibt Anja Knaus die Vorteile. „Die mittige Montage senkt zudem den Schwerpunkt, was das Fahrverhalten gerade beim sportlichen Fahren von E-(Mountain-)Bikes positiv beeinflusst“, ergänzt Christian Malik, Produktmanager beim E–Mountainbike-Vorreiter Haibike, einen weiteren Vorteil des Systems.

Doch zwei „Probleme“ bleiben bestehen: Der Antriebsstrang aus Kettenblatt, Kette und Kassette schluckt bei Tretlagersystemen etwas Leistung. So kommt nicht das volle Drehmoment des Mensch-Maschine-Hybridmotors am Hinterrad an, wo die Power gebraucht wird. Das kann jedoch aufgrund der Vorteile getrost vernachlässigt werden, auch weil die Verluste äußerst gering sind.

Weiterhin brauchen E-Bikes mit Mittelmotoren spezielle Rahmenkonstruktionen für die Aufnahme des Systems. Das verursacht zusätzliche Kosten in Entwicklung und Produktion. Die Räder sind deshalb weit mehr als ein Fahrrad, an das ein Motor geschraubt wurde. Mittelmotoren kommen auch bei „ausgefallenen“ Rädern wie Cargo-Bikes oder Liegerädern zum Einsatz.

„Bei uns wird der Mittelmotor zum Frontmotor, da das Tretlager bei uns an vorderster Front arbeitet “, erläutert Alexander Kraft, Pressesprecher beim Liegeradhersteller HP Velotechnik. Beim Liegerad ist aber durchaus der Einsatz eines Hinterradnabenmotors sinnvoll. „Das kleine Plus ist, dass man durch die Nabe mehr Gewicht am Antrieb hat und so die Traktion verbessert. Dank Baukaustensystem können die Kunden bei uns wählen – beide Varianten funktionieren tadellos.“