Warum nur Kugellager auf Fahrrädern?

Im Allgemeinen sind Kugellager aufgrund der geringeren Kontaktfläche und der geringeren Reibungskraft bei höheren Drehzahlen einsetzbar, aber Rollenlager können größere Lasten aufnehmen, da die auf die Kontaktfläche ausgeübte Last geringere Kontaktspannungen erzeugt.
- Grundlagen des Maschinenbaus, Liubomir Dimitrov

In Fahrradanwendungen gibt es weder hohe Geschwindigkeiten noch hohe Lasten (im Vergleich zu Autos oder Industriemaschinen). Ich gehe jedoch davon aus, dass die "geringeren Kontaktspannungen" zu einer deutlich längeren Lebensdauer des Lagers führen, auch wenn Wasser und Verunreinigungen in das Lager eindringen. Und immer noch ist das einzige Mal, dass ich von Radrollenlagern gehört habe, das hochgelobte Lefty .

Warum werden Kugellager ausschließlich in Fahrrädern verwendet, z. B. in Headsets, bei denen geringfügige Reibung kein Problem darstellt?

Ich denke, einige Ihrer Annahmen sind falsch:

1. Keine hohen Geschwindigkeiten: Felgendynamos drehen sich ziemlich schnell, bis zu 10.000 U / min, und das erfordert von den Designern viel Mühe. Typischerweise hat das Antriebsrad bei diesen einen Radius von etwa 1 cm oder einen Umfang von 3 1/3 cm und 30 Umdrehungen pro Meter. Bei 10 m / s (30 km / h) bedeutet dies 300 U / min oder 18000 U / min. Dies ist der Grund, warum sie im Gebrauch ein so hohes Jammern verursachen.
2. Kein hohes Drehmoment: Ein 100-kg-Radfahrer, der auf einer 165-mm-Kurbel steht, übt eine Kraft von 1 kN bei 0,165 m oder 165 Nm aus. Das ist ein vergleichbares Drehmoment wie bei einem Mittelklassewagen. Ich habe wiederholt einen 8 mm hohen Zugbolzen in das Antriebssystem meines Allradfahrrads geschraubt, und der Ersatz durch industrielle Freiläufe bedeutete den Kauf von zwei der bestbewerteten Einheiten, die ich finden konnte (deutsche Förderbandteile bis 250 Nm).
3. Keine hohen Lasten: Ein Tourenradfahrer mit 50 kg auf dem Gepäckträger und der Hälfte seines 100 kg schweren Körpers belastet eine hohle Hinterachse mit 10 mm Durchmesser mit 100 kg oder 1 kN. Diese Achsen und die Ausfallenden, auf denen sie aufliegen, müssen aus hartem Stahl gefertigt sein, um der Last standzuhalten, wobei die tragenden Teile eines Autos oder Lastwagens typischerweise aus viel weicherem Stahl bestehen.
4. Es werden nur Kugellager verwendet: Moderne, abgedichtete Innenlager verwenden üblicherweise Rollen- oder Nadellager, wie auch viele Steuersatzlager. Naben mit Innenverzahnung verwenden seit vielen Jahren Nadellager. Sheldon Brown beschreibt beispielsweise Wälzlager in seinem Glossar .

Die Antwort ist, dass verschiedene Arten von Lagern in Fahrrädern verwendet wurden und wahrscheinlich auch weiterhin verwendet werden. Auch hier geht Sheldon auf Nadellager in Shimano-Nabengetrieben von vor einigen Jahren ein, die im Marketing immer noch erwähnt werden .

Ein Problem, das nicht nur für Fahrräder, sondern auch für sie von besonderer Bedeutung ist, besteht darin, dass präzisere Lager anfälliger für Abrieb und auch für Beschädigungen sind. Daher müssen insbesondere Nadellager außerhalb ihres Konstruktionsbereichs sorgfältig vor Staub, Sand und Kräften geschützt werden. Leider ist es schwierig, dies in einem Fahrwerk zu tun, und als ich das letzte Mal ausgesehen habe, hatte Cannondale das Problem nicht gelöst (mein HeadShock ist nach nur etwa 10 mm nicht mehr zu halten, ich habe mehrere Lefty-Dämpfer während eines Rennens aufgrund von leichtem Regen und feiner Körnung versagen sehen sie sehr schnell zur Nutzlosigkeit abschleifen)

Aber in einem Hub oder Headset können sie zum Beispiel erstaunlich sein. Ich habe mit Leuten gesprochen, die zum Beispiel mit einem Alfine 8 20 Minuten gefahren sind, ohne Probleme.

Erstens stimme ich dem Kommentar zur hohen Geschwindigkeit nicht zu. Die Lager mit der höchsten Geschwindigkeit sind Gleitlager: Kurbelwellenlager in einem großen Automotor sind Gleitlager, während in einem funkgesteuerten Modell Kugellager verwendet werden. Bei hohen Drehzahlen (U / min x Durchmesser) neigt der Ölkeileffekt zur Zentrierung der Welle (hydrodynamische Schmierung). Dies kann weiter verbessert werden, wenn das Öl gepumpt wird.

Gerade Rollenlager eignen sich hervorragend zur Aufnahme radialer Lasten, sind jedoch zur Aufnahme axialer Lasten unbrauchbar. Wenn keine Axiallast vorhanden ist (z. B. ein von einem Motor angetriebener Generator, entweder direkt über eine Gleitverzahnung oder über einen Riemenantrieb), sind sie eine gute Lösung. Bei den meisten Fahrradanwendungen sind Axialkräfte vorhanden, daher müssen insgesamt 3 Lager berücksichtigt werden: Rolle plus Axialschub in jede der beiden Richtungen. (In einigen Anwendungen gibt es möglicherweise ein Gleitlager für geringen Axialschub, bei einem Fahrrad fällt mir jedoch keines ein.)

Kugellager sind viel einfacher herzustellen und zwei Kugellager bilden ein großartiges Allzweckgelenk. Bei einem Fahrradrad befinden sich die beiden Lager so weit wie möglich an den Enden der Achse, und genau dort, wo wir sie brauchen, um dem nicht axialen Drehmoment standzuhalten, das auf das Rad ausgeübt wird. In dieser Hinsicht würde der zentrale Teil eines Wälzlagers nichts bewirken. Sie könnten also zwei Wälzlager an jedem Ende sowie einige zusätzliche Lager für den Axialschub benötigen (kompliziert werden, nicht wahr?). Die bessere Lösung ist ein einzelnes Kugellager an jedem Ende der Achse haben, mit a konischer Form zu haben , das es ihm ermöglicht, sowohl radialen als auch axialen Kräften zu widerstehen. Kegelrollenlager gibt es, aber sie benötigen einen Käfig zur Führung der Rollen, wodurch die Notwendigkeit von vier Lagern an einem Rad vermieden wird, aber die Komplexität erhöht wird.

Schließlich benötigen Headsets definitiv eine Art Wälzlager. Es gibt ein enormes nichtaxiales Drehmoment: Ihr Gewicht versucht, die Gabeln nach oben und nach vorne zu drücken, außer wenn Sie die Bremsen betätigen, wenn sie zurückgedrückt werden. Um richtig lenken zu können, braucht man dort eine sanfte Bewegung. Jeder, der versucht hat, mit einem beschädigten Headset Fahrrad zu fahren, weiß, dass dies möglich, aber unangenehm und gefährlich ist.

Die aktuellen Antworten geben viele technische Gründe für die Verwendung von Kugellagern an, während andere Lagertypen manchmal für Fahrräder verwendet werden.

Sie vermissen jedoch den wichtigsten Faktor. Kugellager sind billig!

In vielen Tretlagern, die Rollenlager verwenden, sind abgedichtete Patronenlager zu sehen. Auch in Headsets üblich. Bis vor etwa 10 Jahren wurden Kugellager häufiger eingesetzt. Aber immer noch üblich in Pedalen und Naben.

Rollenlager und Kugellager sind effizient. Wenn Sie Gleitlager für die Räder verwenden, z. B. PTFE-Buchsen, funktioniert das Fahrrad zwar, ist aber etwas schwer in die Pedale zu treten, was nicht so viel Spaß macht geraten Sie in Eigenresonanz und fangen Sie an zu wackeln, wenn die E-Frequenz zu niedrig ist, aber dieser Teil hängt stark vom Design der Details ab. Sie können Lager aus Metallbronze verwenden, diese müssen jedoch geschmiert werden.

Für das Headset werden normalerweise auch Kugellager verwendet. Ich habe gerade die Kugellager für das Headset meines alten Fahrrads durch selbst hergestellte Delrin-Lager (Acetal-Plastik) ersetzt, die ich selbst auf der Drehbank hergestellt habe, weil die alten rostig waren und ich ein bisschen teueres neues gefunden habe ... Ergebnis: Ja, Delrin-Gleitlager funktionieren einwandfrei für das Headset. Es ist schwerer, es zu drehen, wenn Sie dies genau wie bei Kugellagern wünschen, aber kein Problem ... Bei Gleitlagern im Kopf kann es ein bisschen Stick-Slip sein -set, dies ist wahrscheinlich der Hauptgrund, warum normalerweise Kugellager verwendet werden - es ist steif und es dreht sich glatt - und Sie werden sich kontrolliert fühlen.