E-Bike Drehmoment – Welche Leistung hat ein E-Bike ?

Im Folgenden erläutern wir dir das E-Bike Drehmoment und alle physikalischen Gegebenheiten. Am Beispiel des Fahrrads, E-Bikes und des Autos wird das Drehmoment anschaulich erklärt.

 

Am Ende erfährst du, welche Bedeutung die Kennzahl des Drehmoments bei der E-Bike Auswahl hat und welchen Einfluss die Trittfrequenz im Zusammenhang mit dem Drehmoment auf die Reichweite deines E-Bikes nimmt. Egal ob E-Mountainbike, E-Trekkingbike oder E-Citybike – das E-Bike Drehmoment ist eine wichtige Kennzahl, die du kennen solltest.

Wie wird das Drehmoment definiert?

Das Drehmoment ist die Drehwirkung einer Kraft über einen Hebelarm auf einen drehbar gelagerten Körper. Die international verwendete Maßeinheit für das Drehmoment wird in Newtonmeter [Nm] angegeben.

 

Ein häufig verwendetes Beispiel zur Veranschaulichung dieser Kraft ist ein Schraubenschlüssen, mit dem eine Schraube gelöst wird. Es ist leicht nachzuvollziehen, dass je weiter außen der Schraubenschlüssel gegriffen wird, desto leichter lässt sich die Schraube lösen, heißt desto geringer ist die Kraft die wir dafür aufbringen müssen. Aber warum ist das eigentlich so?

E-Bike Drehmoment Definition

Was für eine Bedeutung hat das E-Bike Drehmoment ?

Anstatt uns weiter in das Beispiel des Schraubenschlüssels zu vertiefen, veranschaulichen wir dir das E-Bike Drehmoment einfach gleich am Fortbewegungsmittel eurer Wahl. Wir Fahrradfahrer können das Drehmoment sehr gut anhand der Kraft, wie wir in die Pedale treten nachvollziehen.

 

Am Fahrrad wirkt das Drehmoment beim Tritt in die Pedale über die Kurbel auf die Tretlagerachse. Das größte Drehmoment auf die Tretlagerachse wird erzeugt, wenn sich die Kurbel in 90° Stellung befindet, da in dieser Position der Hebelarm (Kurbelarmlänge) auf der x-Achse am längstem zum Tretlager wird. Zwischen der obersten und untersten Pedalstellung (Totpunkt) beträgt die Länge des Hebelarms 0 m auf der x-Achse, wodurch auch kein Drehmoment auf das Tretlager wirkt.

 

Die Kraft auf die Kurbel entspricht in etwa dem Körpergewicht der fahrenden Person. Das Drehmoment berechnet sich aus dem Produkt der Kraft mit dem Hebelarm (Kurbelarmlänge).

Formel Drehmoment

Die Beispielperson wiegt 80 kg:

Drehmoment Formel

Dieses Drehmoment wirkt jedoch nur in der waagrechten Position der Pedale. Über eine gesamte Kurbelumdrehung beträgt das Drehmoment somit nur die Hälfte, also 80 Nm.

Vorweg: Mit einem Systemgewicht von 100 kg vermag ein 40 Nm E-Bike Motor ohne zusätzliche eigene Tretunterstützung eine 12 % Steigung zu bewältigen. Ein Mittelmotor mit 83 Nm schafft Steigungen bis zu 25 %! (Bitte fahrt nicht ohne Tretunterstützung, da es sonst zur Überhitzung des Motors kommen kann, was wiederum zum Totalausfall führen kann.)

 

Diese Werte und alle folgenden Werte beziehen sich selbstverständlich nur auf das E-Bike Drehmoment an der Tretlagerachse. Auch die Kettenritzel, über die die Kette läuft sowie der Laufraddurchmesser vergrößern oder verkleinern das auf die Straße gebrachte Drehmoment, je nach Anzahl der Zähne, bzw. Laufradgröße.

 

Wie du nun bereits bemerkt hast, spielt das Drehmoment eine wichtige Rolle, um mit deinem E-Bike oder Fahrrad voranzukommen. Die genaue Bedeutung des Drehmoments beim E-Bike erfährst du später.

 

Um weitere Rückschlüsse zu erlauben betrachten wir neben dem Drehmoment noch die Trittfrequenz sowie die Leistung.

Das Drehmoment beim E-Bike

Welche Auswirkung hat die Trittfrequenz beim E-Bike-Fahren?

Die Drehzahl beim Fahrrad ist die Trittfrequenz. Die Trittfrequenz wird in Kurbelumdrehungen pro Minute, kurz rpm (en: revolutions per minute) angegeben.

Umso höher die Trittfrequenz, umso niedriger wirkt das Drehmoment, bei gleicher Leistung. Das heißt bei gleicher Leistung muss weniger Kraft auf die Pedale wirken. Du sparst also Energie.

 

Frühere Studien zeigen, dass die kurzfristig optimale Trittfrequenz unter Berücksichtigung der Muskulatur bei ca. 60 Umdrehungen pro Minute liegt.

 

Soll die Energie in den Beinmuskeln jedoch länger als nur einen Sprint Leistung liefern, liegt diese jedoch im Bereich um die 100 rpm. Bei dieser Frequenz fällt die muskelermüdende Laktatbildung am geringsten aus.

 

Zusätzlich schont eine höhere Trittfrequenz durch die niedrigere Belastung pro Kurbelumdrehung die Kniegelenke.

 

Auf die optimale Trittfrequenz beim E-Bike gehen wir weiter unten ein.

Das Drehmoment einfach erklärt am Beispiel Auto

Die Leistung unseres Autos ist uns meistens eine vertraute Kennzahl. Diese entsteht durch das Zusammenspiel der Kraft des Motors, dem Drehmoment und der Drehzahl, den du auf deiner Armaturenanzeige immer steht’s ablesen kannst.

 

Die beliebteste und meist zitierte Kennzahl, die PS, bzw. kW (Kilowatt) stellt die maximale Leistung des Autos bei einer bestimmten Drehzahl dar. Je nachdem bei welcher Drehzahl das Drehmoment auf die Antriebswelle wirkt, ergibt sich eine andere Leistung. Vielleicht hast du schonmal das Drehzahl/Leistungs-Diagramm beim Vergleich von Verbrennungsmotoren der Automodelle betrachtet.

 

Die Leistung ergibt sich aus dem Produkt des Drehmoments und der Drehzahl, bzw. der Winkelgeschwindigkeit:

Winkelgeschwindigkeit

Mit der über die Zeit ansteigende Drehzahl, erhöht sich beim Verbrennungsmotor die Leistung.

 

Ein Auto mit Verbrennungsmotor entwickelt erst ab ca. der Mitte des Drehzahlbereichs sein volles Drehmoment, bevor es in der zweiten Hälfte des Drehzahlbereichs wieder stetig abnimmt. Der Grund für das Absinken des Drehmoments liegt vor allem an der unzureichenden Sauerstoffzufuhr in der Verbrennung des Kraftstoffs bei höherer Drehzahl.  Ein verzögertes Drehmoment Maximum führt dazu, das ein Verbrenner Auto im niedrigen Drehzahlbereich nicht die maximale Leistung erbringen kann. Meist liegt die maximale Leistung erst am Ende des Drehzahlbereichs.

 

Hingegen stellen Elektromotoren in E-Autos das volle Drehmoment von Beginn an zur Verfügung und damit auch die volle Leistung. Gleiches gilt für die Antriebe von E-Bikes, wenn auch mit einem deutlich geringeren Drehmoment. Während wir beim E-Auto nur auf das „Gaspedal“ steigen müssen, müssen wir beim E-Bike bzw. Pedelec erstmal in die Pedale treten und sozusagen Drehzahl erzeugen, bevor der E-Motor seine Unterstützung leistet.

Was bedeuten die Erkenntnisse für das E-Bike Drehmoment ?

Während es beim Auto unter Umständen sinnvoll sein kann die PS, bzw. kW zur Bewertung heranzuziehen, macht dies beim E-Bike allerdings wenig Sinn. Beim E-Bike ist die maximale Motorleistung gesetzlich auf 250 Watt beschränkt. Da alle gängigen Hersteller für E-Bike Antriebe den gesetzlichen Rahmen ausschöpfen, kann die Leistung nicht als Hinweis für die Kraft eines E-Bike-Antriebs herangezogen werden.

 

Wie wir nun vom Verbrennungsmotor wissen ist es entscheidender, wann, bzw. wie schnell die maximale Leistung von 250 W erbracht werden kann. Mit anderen Worten, umso schneller mein E-Bike die maximale Leistung erreicht, umso stärker fällt die Beschleunigung aus. Die Leistungsobergrenze von 250 W beschränkt die Unterstützung bei höheren Geschwindigkeiten, die meist mit höheren Trittfrequenzen (je nach Übersetzungsbandbreite der Gänge) einhergehen. Bei niedrigen Geschwindigkeiten, wie z.B. beim Anfahren, oder beim Bergauffahren liegt eine niedrigere Trittfrequenz, bzw. Winkelgeschwindigkeit (ω) vor.

Wir erinnern uns an die obige Formel der Leistung beim Auto,   Die beschränkte maximale Leistung und da wir auch beim Anfahren oder bei Bergfahrten nicht mit 60 rpm oder mehr fahren können (Abhängig auch von der Übersetzungsbandbreite und den gewählten Gang) liegt es allein am Drehmoment, wie viel Unterstützung wir vom E-Antrieb erhalten.

 

Bei einer niedrigen Trittfrequenz mit einer niedrigen Geschwindigkeit, benötigen wir somit ein entsprechend großes Drehmoment, um die volle Leistung abrufen zu können.

Damit wir feststellen können ab welcher Trittfrequenz wir beim E-Bike die volle Leistung erhalten, müssen wir die Formel nach der Trittfrequenz, bzw. Winkelgeschwindigkeit[ω] wie folgt umstellen:

Formel

Beispiel: 80 Nm kraftvoller E-Bike Motor

Winkelgeschwindigkeit

Eine Winkelgeschwindigkeit von 3,125  entspricht 30 rpm, also 30 Kurbelumdrehungen pro Minute. Im Vergleich mit der zuvor erläuterten Trittfrequenz beim Fahrradfahren, leistet der E-Bike Motor also bereits bei einer sehr niedrigen Trittfrequenz die volle Unterstützung, was ihn zu einem starken Motor macht. Damit das Drehmoment auch tatsächlich auf die Straße gebracht werden kann spielt selbstverständlich auch die Traktion (Reifenbreite und Reifendruck) eine Rolle.

Was ist das optimale E-Bike Drehmoment ?

Der viel entscheidendere Faktor beim E-Bike ist somit das Drehmoment des Motors. Je nach Einsatzbereich und Budget kann dieser variieren und als Bewertungskriterium herangezogen werden. Je größer das Drehmoment, umso schneller beschleunigt das E-Bike und desto kräftiger unterstützt der Motor beim Bergauffahren.

 

Benutzt du das E-Bike hingegen ausschließlich auf flachen und befestigten Wegen reicht auch ein 40 Nm Motor vollkommen aus. Durch die Wahl eines weniger Kraftvollen Motors benötigst du weniger Energie (je nach Fahrstil) und schont euren Geldbeutel.

Wenn du bequem Berge erklimmen möchtest und kräftige Unterstützung bei Anstiegen willst, bist du mit einem 60 Nm E-Bike-Motor besser beraten. Willst du z.B. einen Kinderanhänger ziehen, oder andere schwere Lasten mit deinem E-Bike bewegen kommst du selbst bei kürzeren Anstiegen nicht ins Schwitzen.

 

Willst du auf losen und grobem Untergrund Trails mit bis zu 25 % Steigung bergauffahren, kommen für dich womöglich starke Antriebe mit 80 Nm und mehr in Frage.

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Tipp: Auf die optimale Gangwahl beim E-Bike achten

Auch wenn dich der E-Bike Motor grundsätzlich in jedem Gang bestmöglich unterstützt, solltest du je nach Steigung und Geschwindigkeit den richtigen Gang wählen. Denn dieser hat nicht nur auf deine Gelenke, sondern auch auf die Reichweite beachtliche Auswirkungen.

 

Wie bereits oben erwähnt, kann sich dies auf Dauer gesundheitsschädlich auf die Knie und Gelenke auswirken. Doch kann die Gangwahl und damit die Trittfrequenz auch negative Auswirkung auf die Leistung unseres E-Bike-Motors nehmen? Ja kann sie!

 

Laut Berechnungen liegt die durchschnittliche optimale Trittfrequenz beim E-Bike bei etwa 85 rpm. Bei dieser Frequenz fallen die Stromwärmeverluste des Motors minimal aus, sprich die Akkuleistung wird optimal genutzt. Bei einer durchschnittliche Trittfrequenz von nur 50 rpm läuft der Motor hingegen unter Volllast und kann sich zu stark erhitzen. Dies hat einen um ca. 25 % niedrigeren Wirkungsgrad zur Folge und führt dadurch zu einer deutlichen geringeren Reichweite.

 

Somit kannst du durch schnelleres Pedalieren die Reichweite eures E-Bikes deutlich steigern.

 

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Quellen:

 

Drehmoment – Wikipedia

Die optimale Trittfrequenz beim Radfahren | Trainer (trainer-magazine.com)

Rad_Berechnungen_E-Bike_v0d8.pdf (drewanz.com)

E-Bike Motor: Welche Steigung schafft mein Pedelec? ⋆ E-Bike Spass (ebikespass.de)

Gibt es eine optimale Trittfrequenz beim E-Bike? ⋆ E-Bike Spass (ebikespass.de)

 

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