Ergonomie des Kurbelantriebs, Kurbellänge, Linear, Ellipsen, usw

[kotty]

Bezug auch

K

Messe Beitrag im Thema 'Spezi '25 - Vorfreude und Verabredungen - Spezialradmesse 26.+27.4.2025'

21.04.2025

hi, hier ist Peter von Kotlarov Modellbau und Sonderentwicklung. Der eine oder andere kennt mich als den Bastler mit den vielen Ideen, der nie sein Velomobil fertig bekommt. Jetzt habe ich aber mal etwas fertig gemacht und biete an:

--Federbeine zum Austauschen.
Aufbau ähnlich wie beim Automobil mit Gasdruckfeder und Stahlfeder. Faktor 3,3 höhere Federarbeit (Kraft x Weg) im Vergleich zur Stahlfeder alleine oder Faktor 3 besser als Elastomerfeder. Plug and play and have fun! DEUTLICH mehr Fahrkomfort, selbst auf einer Holperstrecke. Als Umbausatz erhältlich, zugeschnitten auf das Gewicht...

• kotty

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Ich mache mal aus aktuellem Anlass das Thema Ergonomie des Kurbelantriebes auf.

Ich habe ja in meiner etwas breitspurigen Ankündigung für die Messebezüglich meines Komma- Pedals* das 'verbotene Wort' Effizienz benutzt.
#205 m Faden Spezi 2025​

Da vermutet der eine oder andere ein Perpetuum mobile oder so etwas.

Zur Vermeidung von Missverständnissen fange ich mal mit den Basics an, wer in der Materie tiefer drin steckt, kann gerne überspringen.

Effizienz hat etwas mit dem Verhältnis zwischen Aufwand und Ergebnis zu tun.
Effizienz beim Fahrradpedal ist das Verhältnis zwischen
--aufgewendeter Arbeit
(Treibstoffverbrauch, und da der Treibstoff auch verbrannt wird, ist der gleich dem Sauerstoffverbrauch VO2)
--und Output, also der Arbeit an der Kurbel, gemessen in Watt).
Da der Körper auch im Leerlauf einen Sauerstoffverbrauch hat, also geht es hier genauer gesagt um den zusätzlichen Sauerstoffbedarf, also der über den Grundbedarf hinausgeht.

Um Euch nicht zu verwirren folgende Abkürzung:​

Es vereinfacht die Messung enorm, dass der Sauerstoffbedarf ziemlich genau mit der Herzfrequenz korreliert und der zusätzliche Bedarf mit der Zunahme der Herzfrequenz.

Ist in mehreren Studien nach gewiesen, auch von mir. 1999 hatte ich im Ergonomie Institut Hamburg Messreihen mit recht vielen Probanden durchgeführt.
Sauerstoffbedarf, Herzfrequenz, Laktat usw. alles gemessen und in Relation zur Leistung an der Kurbel gesetzt.​

Ergebnis des Riesenaufwandes war:
Es reicht auch die simple Messung der Herzfrequenz, wenn man einen Fehler von unter 2% toleriert, und man kann sich also die aufwendige Sauerstoffverbrauchsmessung, Laktat usw. sparen. Es gab auch noch andere Aussagen.
Die Rohdaten sind leider mit meiner Festplatte ins Nirwana gegangen, aber das Messverfahren kann von Euch bei Interesse wiederholt werden.
In der Pro Velo 04. 1999 hatte ich einen Vorläufer dieser Studie publiziert, die damals jedoch wenig Echo fand. Da war ich wohl 25Jahre zu früh dran gewesen.

Hat jemand von Euch ein Liegeradergometer?
(ich habe leider zurzeit keines verfügbar)​

Dann machen wir zusammen eine einfache Messung:
Stufenergometer Test, also in Schritten von 50W zunehmende Belastung bis Abbruch, dabei Messung der Herzfrequenz.
Die Zunahme der Herzfrequenz wird in Relation zur Zunahme der Leistung gesetzt, als Graph.
Nun werden zum Beispiel verschiedene Kurbellängen verglichen, oder Ellipsen oder K-drives flach oder hochkant oder45°.
Die Fussbahn, wo der Anstieg der Herzfrequenz im Bezug zur Leistung am geringsten ist, ist die effizienteste.

So einfach geht das. Der leistungsorientierte Fahrer kann hieraus interessante Schlüsse ziehen, zB welche Kurbellänge objektiv zu ihm passt.​

Meine letzte Messung war vor 2 Jahren, als ich verschiedene Ergometer (Upright, Liegeposition, Sprinttrainer) zur Verfügung hatte.
Upright-Ergometer mit 170mm Kurbellänge versus Ellipsentrainer (im Stehen) versus Liegerad.
Gewinner ist der Ellipsentrainer mit einem Plus im hohen zweistelligen Prozentbereich im Vergleich zum Upright. So ein deutliches Ergebnis hatte ich nicht erwartet.
Also ein deutlicher Hin-weis, dass da was raus zu holen ist.
Meine Komma-Fussbahn ist natürlich nicht so gut wie der Ellipsentrainer, sie soll ja auch in einen Milan SL passen,
aber sie holt eine Menge Drehmoment aus dem begrenzten Bauraum, als hätte man eine längere Kurbel, ohne die Nachteile der längeren Kurbel**

Gerne mal Probefahren, bei mir in der Nähe von Bremen.

Grüße von Peter


*Man denke hier bitte nicht an den K-Drive. Den habe ich gebaut und getestet sowie den inversen K-Drive und weitere Eierdinger​

**Arbeit ist Kraft mal Weg.

Das Knie arbeitet gerne mit viel Weg und wenig Kraft, die Hüfte mit viel Kraft, sprich Drehmoment und wenig Weg)​

Da das Produkt Arbeit zählt, leisten beide Gelenke etwa je die Hälfte zur gesamten Arbeit.
Fordert man von der Hüfte einen großen Bewegungswinkel, aufgrund langer Kurbeln oder ganz schlimm beim Linearantrieb, wird es ineffizient. Der Körper ermüdet rasch.
Momentangeht der Trend ja auch zu kleineren Kurbeln, diese Entwicklung geht aber zulasten des Knies, das kann dort nicht so gut Arbeit leisten. Allerdings ermüdet es nicht, es macht einfach Schmerzen. Daher kommt mein mein Hinweis „knieschonend“ im #205 zur Spezi 25.
Das ist ein kleiner Hinweis, in welche Richtung ich optimiert habe, angeregt durch den Bewegungsablauf beim Sprinttrainer

 

[Delta Hotel]

Momentangeht der Trend ja auch zu kleineren Kurbeln, diese Entwicklung geht aber zulasten des Knies, das kann dort nicht so gut Arbeit leisten. Allerdings ermüdet es nicht, es macht einfach Schmerzen.

Ist mal schön auf den Punkt gebracht und zeigt das meine Beobachtung nicht falsch sind. Seit ich wieder Kurbeln mit 160 bis 170 mm fahre sind die Schmerzen weg der Puls runter etc.

Ich bin sehr gespannt wie es weitergeht.

 

[bergsprint]

Ich bin sehr gespannt wie es weitergeht.

dito

Dann machen wir zusammen eine einfache Messung:
Stufenergometer Test, also in Schritten von 50W zunehmende Belastung bis Abbruch, dabei Messung der Herzfrequenz.
Die Zunahme der Herzfrequenz wird in Relation zur Zunahme der Leistung gesetzt, als Graph.
Nun werden zum Beispiel verschiedene Kurbellängen verglichen, oder Ellipsen oder K-drives flach oder hochkant oder45°.
Die Fussbahn, wo der Anstieg der Herzfrequenz im Bezug zur Leistung am geringsten ist, ist die effizienteste.

Da würde mich interessieren, wie die Leistung (Kraft x Weg / Zeit) ermittelt wurde/wird. Unabhängig, wo die Kraft am Rad gemessen wird, müsste es dann doch für elliptische Bahnen eine Weglängenkorrektur (normalerweise über die Kurbellänge) geben, um den tatsächlichen Pedalumfang berücksichtigen zu können.

 

[ChristianW]

Da würde mich interessieren, wie die Leistung (Kraft x Weg / Zeit) ermittelt wurde/wird. Unabhängig, wo die Kraft am Rad gemessen wird, müsste es dann doch für elliptische Bahnen eine Weglängenkorrektur (normalerweise über die Kurbellänge) geben, um den tatsächlichen Pedalumfang berücksichtigen zu können.

Bei einem Ergometer wird das ja meist "am Laufrad", also an der "Bremse" gemessen und nicht an der Kurbel wie bei uns.
Ein Powermeter direkt am Kurbelstern wie bei Power2Max und ähnlichen sollte aber eigentlich auch funktionieren - oder?
Wobei ich mich gerade frage, was mit dieser Hebelei außen ist, die ja auch Kräfte in den Rahmen leitet. Andererseits tritt das reine Drehmoment ja wirklich am Kettenblatt auf und das sollte einzig relevant für die Messung sein...

 

[HenriP]

Das ist schon alles sehr spannend. Ganz wichtig ist, herauszustellen, dass du keinen mechanischen Vorteil versprichst, sondern einen menschlichen. Und da wird's dann aber leider komplex, davon verstehen die meisten von uns zu wenig. Ich begreife immer noch nicht, wie diese Änderung der Pedallaufbahn so eine große Änderung in der Effizienz des Körpers bringen soll. Und da mögen die Effekte auch individuell verschieden sein, keine Ahnung.
Aber allein schon, dass durch das Abflachen der Pedellaufbahn an der Stelle nah am Körper man den Fuß nicht mehr so weit anziehen muss, sollte mir einen Komfortgewinn bringen und je nach Fahrrad mehr Freiheit für den Lenker. Du sprachst auch davon, dass, wenn das Knie nicht mehr so hoch kommt, man am Velomobil dort Höhe einsparen kann. Das mag bei Rekordgeschwindigkeit nochmal das letzte Quäntchen Luftwiderstand einsparen. Vielleicht kann sogar der Kopf tiefer, weil man freiere Sicht hat, und dann wird es noch mehr Einsparung. (Wenn man das Fahrzeug entsprechend entwirft / anpasst.)

Gerne mal Probefahren, bei mir in der Nähe von Bremen.

Den Weg will ich auf jeden Fall mal auf mich nehmen. (Das kann ich mit Bülk-Probefahrten bei Henning verbinden.)
Und dann wird das hoffentlich was mit einer ausprobierbaren Demonstration auf der nächsten Spezialradmesse. Ich denke, dieses Produkt muss man ausprobiert haben, um es bewerten zu können.

Wobei ich mich gerade frage, was mit dieser Hebelei außen ist, die ja auch Kräfte in den Rahmen leitet.

Eine Kraft ohne Weg ist aber keine Arbeit. Verlust gibt das also nur, wenn durch die Kraft eine Verformung entsteht ("Flex"), die bei der Rückkehr in die entspannte Lage nicht wieder zum Antrieb beisteuert (Gummibandeffekt).
In der Lagerung der Gelenke gibt es sicherlich irgendwas an Verlusten, aber im Vergleich zu anderen Apperaturen, die Leistung über Zahnräder oder Ketten übertragen, haben wir hier nur eine Abstützung mit Kugellager.

Ein Powermeter direkt am Kurbelstern wie bei Power2Max und ähnlichen sollte aber eigentlich auch funktionieren - oder?

Da bin ich sehr sicher, dass das grundsätzlich kein Problem wäre, wenn man ein Produkt hat, das räumlich und von der Aufnahme her passt. Pedalmessung würde nur dadurch nicht richtig funktionieren, dass diese die Kraft an der Pedalachse mit der eingestellten Hebellänge multiplizieren müssen und hier nicht die variable Kurbellänge begreifen würden. Kurbelmessung müsste schon wieder funktionieren, wenn man das ganze auf eine gewöhnliche Messkurbel aufsetzen würde. (Würde dann ungewollt breit werden.)

Es gab früher Probleme mit Messung am Kettenblatt bei ovalen Kettenblättern. Das muss ein reines Softwareproblem gewesen sein (vermutlich weil die Algorithmen zur Glättung der Messwerte von einer einigermaßen konstanten Rotationsgeschwindigkeit ausgegangen sind).
@kotty Kannst du sicher sein, dass deine Messungen keine solchen Fehler beinhalten? Ich würde mal annehmen, bei einer Messung an einem Schwungrad dürfte die Kurbelapperatur und der Verlauf des Drehmoments pro Kurbelumdrehung keinen Einfluss auf die Messung mehr haben können?

Auf der Messe hattest du empfohlen, sich die Pedalbahn mal in einem Viergelenk-Simulator anzugucken. Ich meine es war der folgende. Magst du mal die Parameter geben, die man da eingeben kann, die deinem Aufbau entsprechen?

Viergelenkkette - Animation

(Wenn man dort die "Schritte pro Umlauf" in der Animation stark reduziert, sieht man auf der Bahn von Ecke zu Ecke die Bewegungslänge des Pedals pro Stück Rotation der Kurbel. Damit kann man den Verlauf der Hebelwirkung etwas beobachten.)

 

[HFKLR]

bei diesem 4 gelenk simulator andersrum gedacht, also der Antrieb wären die Beine und an einem der unteren Punkte wäre der Antrieb, würde heissen bei gleichmäßiger Geschwindigkeit der Beinbewegung würde sich das Kettenblatt bei einer Umdrehung mal langsamer, mal schneller drehen?

 

[HenriP]

Ich verstehe nicht, was du damit sagen willst.

Also der rechte stab, der um einen fixpunk rotiert, ist die Kurbel. Der linke Stab ist die Abstützung. Der Punkt, der eine rote Line zeichnet ist die Pedalachse, die rote linie ist also die Bahn, die das Pedal läuft. Jetzt müsste man die richtigen Längen und Position des zweiten Fixpunktes eingeben, dann sieht man die Bahn, die in dieser Erfindung erzielt wird.

 

[zermatt]

@kotty
Die "Effizienz" einer Muskelgruppe hängt doch sicher auch vom Trainingszustand und - wie bei jedem Motor- von der optimalen Anpassung an den jeweiligen Bewegungsablauf ab. (Wie) wurde das bei den Messungen berücksichtigt?

 

[Mistral]

Hallo @kotty
das klingt sehr interessant. Habe gerade Knieprobleme und überlegt, auf kürzere Kurbeln zu gehen, nun muss wohl doch längere Kurbeln probieren...
Gibt es von deinem Mechanismus irgendwo Bilder und eine genauere Beschreibung? Im Spezi-Faden hab ich auf die Schnelle nur den einen Beitrag von dir gefunden.
Als früherer Getriebeexperte wollte ich das Prinzip mal verstehen, vielleicht finde ich auf einer alten Festplatte noch eine WinDam-Version zur Berechnung.

 

[Marc]

Momentangeht der Trend ja auch zu kleineren Kurbeln, diese Entwicklung geht aber zulasten des Knies, das kann dort nicht so gut Arbeit leisten. Allerdings ermüdet es nicht, es macht einfach Schmerzen.

Abgesehen davon das sich das nicht mit meiner Beobachtung deckt (keine Schmerzen mit 155mm Kurbeln bei 175m Körpergrösse), gibt es Studien die anderes herausgefunden haben. ZB die hier

https://www.researchgate.net/publication/11923708_Determinants_of_maximal_cycling_power_Crank_length_pedaling_rate_and_pedal_speed

(höchste Abgabeleistung mit 140mm Kurbeln)

Ist mal schön auf den Punkt gebracht und zeigt das meine Beobachtung nicht falsch sind. Seit ich wieder Kurbeln mit 160 bis 170 mm fahre sind die Schmerzen weg der Puls runter etc.

Und wieder schmeisst ihr Kurbellängen in den Raum, ohne eure Beinlänge oder zumindest Körpergrösse anzugeben.

170mm Kurbellänge mag ja für 1,9m Körpergrösse ok sein, aber mit meinen 1,75m beginnen die Knieschmerzen bevor ich 30km weit gefahren bin. Mit 165mm Kurbeln komm ich dagegen schon fast 50km weit. Mit 155mm Kurbeln fahr ich auch 300km ohne Knieschmerzen. Und nu?

 

[Delta Hotel]

Und wieder schmeisst ihr Kurbellängen in den Raum,

Stimmt und wenn es wichtig erscheint trage ich es gern nach.
Bislang wissen wir ja noch nicht was es da schönes gibt.

 

[flowi]

Sauerstoffbedarf, Herzfrequenz, Laktat usw. alles gemessen und in Relation zur Leistung an der Kurbel gesetzt.
Ergebnis des Riesenaufwandes war:
Es reicht auch die simple Messung der Herzfrequenz, wenn man einen Fehler von unter 2% toleriert, und man kann sich also die aufwendige Sauerstoffverbrauchsmessung, Laktat usw. sparen. Es gab auch noch andere Aussagen.

So you are saying that you can derive power, lactate, etc within 2% accurate, given only the heart rate ?

What's the formula?

 

[HFKLR]

Ich verstehe nicht, was du damit sagen willst.

als ich mir die Animation anschaute, war die Drehgeschwindigkeiten bei den unteren zwei "Hebeln" linear und die rot gezeichnete Rotations-Linie ist im unteren Bereich langsamer, als beim oberen flacheren Bereich (da viel schneller) drum dachte ich: wenn die Rotations-Linie der gedachte "Kurbel-Kreis ist, dann müsste bei der Hälfte der Bewegung viel schneller bewegt werden oder am anderen Ende der Hebel ist die Geschwindigkeit nicht gleichmäßig schnell...

 

[HFKLR]

Und nu?

= das Marc sche Paradoxon ? : )

 

[tieflieger]

Und es gibt auch noch einfachte harte Sachen. Das man nicht ins Velomobil passt mit Kurbel die 5mm länger sind. Weiter soll man sich realisieren das mit 1 cm längere Kurbel 2 cm mehr Querschnitt entsteht, 1 cm oben und 1 cm unten. Dabei muss man dann die ganze VM breite unten und oben mal 1 cm rechnen als extra frontal Oberflache.

 

[HenriP]

So you are saying that you can derive power, lactate, etc within 2% accurate, given only the heart rate ?

What's the formula?

Ge says they scale together. He doesn't say he could calculate any given person's values just from heartrate. You'll have to measure your correlation first. - And repeat those measurements, when your body changes.
Practucally it's just useful to compare the power output with different crank systems at the same heartrate, without having to measure breating.

die rot gezeichnete Rotations-Linie ist im unteren Bereich langsamer, als beim oberen flacheren Bereich

Hast du die Simulation denn achon auf die richtigen Maße eingestellt? Sonst kommen da allerhand Bewegungen raus, aber nicht die hier verwendete.

 

[Marc]

= das Marc sche Paradoxon ? : )

A Riders Guide to Crank Length - Appleman Bicycles

Do you need short cranks? How to calculate crank length? Finde out why crank length is important and how to find the best length for you.

www.applemanbicycles.com

 

[flowi]

Ge says they scale together. He doesn't say he could calculate any given person's values just from heartrate. You'll have to measure your correlation first. - And repeat those measurements, when your body changes.
Practucally it's just useful to compare the power output with different crank systems at the same heartrate, without having to measure breating.

Thanks. So you have to measure their relations once at all possible states. That seems still quite impractical and a lot of work upfront, but after that you can use the heartrate only

 

[HenriP]

The point is: You just don't need to know your metabolic rate, oxigen uptake or anything. Compare the power at the same hearteate and you have the relative improvement. More power = more better. No matter what the other values might actually might be in absolut terms. Same for comparing heartrate at the same power.

 

[Nitram]

Bezug auch

K

Messe Beitrag im Thema 'Spezi '25 - Vorfreude und Verabredungen - Spezialradmesse 26.+27.4.2025'

21.04.2025

hi, hier ist Peter von Kotlarov Modellbau und Sonderentwicklung. Der eine oder andere kennt mich als den Bastler mit den vielen Ideen, der nie sein Velomobil fertig bekommt. Jetzt habe ich aber mal etwas fertig gemacht und biete an:

--Federbeine zum Austauschen.
Aufbau ähnlich wie beim Automobil mit Gasdruckfeder und Stahlfeder. Faktor 3,3 höhere Federarbeit (Kraft x Weg) im Vergleich zur Stahlfeder alleine oder Faktor 3 besser als Elastomerfeder. Plug and play and have fun! DEUTLICH mehr Fahrkomfort, selbst auf einer Holperstrecke. Als Umbausatz erhältlich, zugeschnitten auf das Gewicht...

• kotty

• 
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Ich mache mal aus aktuellem Anlass das Thema Ergonomie des Kurbelantriebes auf.

...​

Meine Komma-Fussbahn ist natürlich nicht so gut wie der Ellipsentrainer, sie soll ja auch in einen Milan SL passen,
aber sie holt eine Menge Drehmoment aus dem begrenzten Bauraum, als hätte man eine längere Kurbel, ohne die Nachteile der längeren Kurbel**

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Gibt es von der "Komma-Fussbahn" Zeichnungen oder Bilder ?
Leider reicht mein Vorstellungsvermögen das aus Worten zu erfassen nicht aus.