Laufradbau
Leeze: Wie entstehen Laufräder? Einblicke und Hintergründe
in Test & Technik
Laufräder aus dem Münsterland: Auf dem deutschen Laufrad-Markt schienen sich die Anteile der Hersteller gefestigt zu haben, bis vor rund zehn Jahren die Firma Leeze hinzukam – benannt nach der Bezeichnung für „Fahrrad“ im Münsterländer Dialekt.
Die Entwicklung des Unternehmens ist ungewöhnlich – die beiden Gründer vergleichen sie mit dem Mythos des „American Dream“. Florian Otterpohl und Frank Decker kennen sich seit ihrer Jugend. Alles begann in einer kleinen Studentenwohnung und dem Keller eines Elternhauses. Nach vielen Jahren harter Arbeit hat sich daraus ein Hersteller entwickelt, dessen Laufräder in vielen Tests Top-Ergebnisse erzielen.
Leeze: Der erste Plan
Der erste Plan bei der Gründung des Unternehmens Leeze lautete: Eine Marktlücke im Segment der Carbon-Laufräder um 1000 Euro zu schließen.
Schnell ging dieser Plan auf und „zwang“ die beiden Studenten im Jahr 2015 dazu, die nächste Entwicklungsstufe zu nehmen: Sie investierten einen sechsstelligen Betrag in einen Zentrierautomaten für Laufräder – und führten das Unternehmen fortan hauptberuflich und in Vollzeit. Die Experimentierphase war beendet.
Im Jahr 2018 gelang den beiden Gründern der nächste Schritt in der Unternehmensentwicklung: Der Münsteraner Aerodynamik-Experte und leidenschaftliche Radsportler Eric Helter bringt seitdem sein Wissen und seine Fähigkeiten bei der Entwicklung von Aero-Laufrädern ein. Aus einem losen Wissensaustausch entwickelte sich eine Kooperation. Als Professor und Diplom-Ingenieur lehrt er am Bauhaus Campus Dessau Digitale Simulation und Produktdesign. Er ist unter anderem ein Spezialist für die Computational-Fluid-Dynamics-Strömungssimulation – bekannt unter der Abkürzung CFD. Seine Ausbildung: ein Studium der Luft- und Raumfahrttechnik und des Bauingenieurwesens mit den Schwerpunkten Statik und Festigkeit. „Die beiden Studiengänge ergänzen sich in der Praxis ganz hervorragend“, sagt Eric Helter.
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Das aerodynamisch optimierte Felgendesign
Fortan entwickelte er für Leeze das aerodynamisch optimierte Felgendesign, zunächst mit drei Laufradsätzen mit 35, 58 und 78 Millimetern Felgenhöhe.
Mit den neuentwickelten Laufrädern fuhr Helter als „Testfahrer“ ein Jahr später beim 24-Stunden-Rennen auf dem Nürburgring auf den dritten Platz seiner Altersklasse. Er hatte an seinem Rennrad die Leeze-Laufräder CC Disc EVO WASO mit 58 Millimetern Felgenhöhe vorne und 78 Millimetern hinten montiert. „Ich habe sofort gemerkt, dass die Laufräder aerodynamisch extrem stabil laufen.“ Dass er auf der Strecke extrem schnell wurde, bestätigte die Geschwindigkeitsmessung des Veranstalters: „In der Fuchsröhre bin ich mit 120,3 Kilometern pro Stunde geblitzt worden.“
Eigenes Simulationskonzept
Bei der Entwicklung setzt Leeze inzwischen auf ein eigenes Simulations-Konzept. Das Motto dahinter lautet: „From Digital to Real.“ Um schnell und ressourcen-schonend aerodynamische Optimierungen vornehmen und verifizieren zu können, werden die Laufräder nicht als Prototypen mittels klassischer Windkanalmessungen überprüft. Stattdessen werden die Felgen während des gesamten Entwicklungsprozesses in der virtuellen Simulation eines Windkanals getestet.
Die Ergebnisse werden anschließend analysiert. Durch Algorithmen, die auch für Entwicklungen im Motorsport eingesetzt werden, können alle Entwicklungsstufen digital durchlaufen werden. Erst danach geht man bei Leeze direkt in die Serienfertigung über. Dieser Ablauf ist zeiteffizient und laut Eric Helter deutlich genauer als der klassische traditionelle Prototypenbau und Testablauf. In vielen RennRad-Laufradtests landeten die Leeze-Laufräder auf den vorderen Plätzen.
Leeze fertigt für andere Unternehmen
Längst werden bei Leeze auch Laufräder für andere Unternehmen gefertigt – diese Aufträge machen inzwischen rund die Hälfte der Gesamt-Produktion aus. Die angemietete Produktionsstätte war nicht mehr groß genug – deshalb bezog das Unternehmen 2020 eine eigene Halle im Industriegebiet von Havixbeck. Inzwischen arbeiten dort rund 25 Mitarbeiter – einschließlich der Hochschulstudenten, die bei Leeze ihre Abschlussarbeiten erstellen.
Die Laufrad-Fertigung verläuft auf zwei Produktionslinien: Auf der ersten „laufen“ Räder mit Felgen aus Aluminium. Ihre Speichen werden halbautomatisch in die Felgen eingefädelt. Auf der zweiten Linie werden Laufräder mit Carbonfelgen gefertigt – hier werden die Speichen von Hand eingefädelt. Beide Linien führen zu dem großen Zentrierautomaten. Hier werden schrittweise die Speichen angezogen. Die vier Werte für den Höhen- und den Seitenschlag, die Mittigkeit und die Speichenspannung werden dabei jeweils mehrfach automatisch geprüft. Abschließend erfolgt bei jedem Laufrad die Endkontrolle – stets per Hand. Die Unternehmensgründer nutzen ihre Laufräder auch selbst ausgiebig: Frank Decker pendelt täglich mit dem Rennrad, Florian Otterpohl fährt selbst im Leeze-Bundesliga-Team Radrennen.
Leeze: Aerodynamik-Experte Prof. Dipl-Ing. Eric Helter im Interview
Worauf es bei Laufrädern ankommt – der Aerodynamik-Experte Prof. Dipl.-Ing. Eric Helter über die Entwicklung von Leeze-Laufrädern.
RennRad: Aerodynamisch weist der Tropfen einer Flüssigkeit die strömungsgünstigste Form auf. Da müsste es doch auch bei einer bestimmten Felgenhöhe die optimale „tropfenförmige“ Felgenform geben. Warum sieht dies in der Praxis anders aus?
Eric Helter: Definitiv ist der Tropfen im aerodynamischen Sinne das Nonplusultra. Aber bei einem Laufrad finden wir gänzlich andere Verhältnisse vor. Wir haben unterschiedliche Materialien, das Laufrad rotiert im Luftstrom, das seitliche Reifenprofil wirkt dort einem nicht erwünschten Strömungsabriss entgegen. Eine Problemzone ist auch der Übergang vom Reifen zur Felge: Im Idealfall soll sich die Strömungslinie an die Felge anschmiegen und mit einer möglichst kleinen Verwirbelung beziehungsweise mit einer kleinen Wirbelschleppe abreißen. Verwirbelungen erhöhen den Luftwiderstand. Letztendlich müssen für ein gutes Gesamtergebnis auch Reifen und Felge miteinander aerodynamisch harmonieren. Weiter müssen wir Folgendes berücksichtigen: Der Luftstrom trifft zuerst vorne auf den Reifen und strömt dann entlang der Felge. Und dann – auf der gegenüberliegenden Seite – trifft der Luftstrom zuerst auf die andere Seite der Felge – die Innenseite mit den Speichennippeln – und strömt dann entlang des Reifens mit einem abschließenden Strömungsabriss, also einer Anströmung in der umgekehrten Reihenfolge. Aus diesen Gründen wäre hier der Tropfen nicht die optimale Form. Noch ein weiterer Aspekt: Ausgestellte Gabeln – also nach außen gewölbte Gabelarme – minimieren die gegenseitige ungünstige Beeinflussung zwischen dem Laufrad und der Gabel.
Wie wird das Felgenprofil am Computer mittels der Computational-Fluid-Dynamics-Simulation CFD entwickelt?
Unsere Philosophie „From Digital to Real“ hat sich in den vergangenen Jahren als ein echter „Gamechanger“ erwiesen. Insbesondere, wenn wir uns über die Nachhaltigkeit in der Produktentwicklung unterhalten. Mit unseren Programmen können wir Laufrad-Systeme sehr nahe an der Realität simulieren. Ganz allgemein werden beim CFD zunächst nur Geometriedaten von Reifen und Felge in das Computerprogramm eingepflegt. Eine Software für Strömungssimulation berechnet dann die Strömungsverluste. Die einzelnen vorgegebenen Formen und Geometrien sind frei gewählt und unterscheiden sich nur um einzelne Zehntelmillimeter. Wir arbeiten in drei Schritten mit unterschiedlichen Programmen.
Im ersten Schritt simuliert die CFD-Software einen virtuellen Windkanal. Vorgegeben sind die Windgeschwindigkeit, die Temperatur und damit die Luftviskosität – also, wie gut die Luft „fließt“ und wie groß der Widerstand damit ist. Im Gegensatz zum Windkanal haben wir bei CFD-Analysen somit immer exakte und konstante Bedingungen, etwa auch bei den Anströmwinkeln. So erhalten wir erste Erkenntnisse beziehungsweise Näherungen.
Wichtig ist die Antwort auf die Frage: Bei welchem Felgenprofil ist es sinnvoll, dieses weiterzuentwickeln? Im zweiten Schritt nimmt eine Spezial-Software sehr feine Modellierungen vor. Beispielsweise wird hier der Übergang vom Reifen zur Felge exakt festgelegt, Temperaturbereiche werden definiert und verschiedene Drehgeschwindigkeiten des Laufrads werden analysiert. Hier werden auch Seitenwindimpulse untersucht – wie wir sie in der Praxis als pulsierende Seitenwinde in Baumalleen oder zwischen Häusern erleben.
Im Windkanal können diese Seitenwindimpulse nicht simuliert werden. Ab diesem zweiten Schritt wird auch das seitliche Reifenprofil gescannt und ins Programm integriert. Beim dritten Schritt rechnen wir mit einer eigenen Großrechner-Software im feinsten Bereich, also im Bereich von Fertigungstoleranzen. Anschließend werden im 3D-Print im sogenannten Rapid-Prototyping-Verfahren erste Muster hergestellt. Das ist günstiger als der klassische Prototypenbau. Danach folgt eine strukturmechanische Untersuchung mittels eines Finite-Elemente-Programms. Die Carbonfasern der Carbonmatten werden dann in ihrer vorgesehenen Richtung ausgelegt und im Bereich der Speichennippel verstärkt.
Optimierung hinsichtlich der Aerodynamik
Eine Felge wird demnach primär hinsichtlich der Aerodynamik, ergo des Luftwiderstands und der Seitenwindanfälligkeit, optimiert. Wie werden diese beiden Kriterien gewichtet?
Wir entwickeln jede Felgenhöhe komplett neu und eigenständig. Bei hohen Felgenprofilen wird die Seitenwindanfälligkeit sehr stark gewichtet. Hier greifen wir auf CFD-Berechnungen und persönliche Erfahrungen gleichermaßen zurück. Ein Strömungsabriss bringt immer eine Art Unruhe in das Vorderrad und damit in das Handling, insbesondere bei der Impulsanströmung. Es fließen hier auch meine Erfahrungen aus dem Motorsport in die Entwicklung ein. Im Bereich der GT-Rennwagen arbeitete ich für ein Lamborghini- und ein KTM-Team.
Gibt es überhaupt noch Optimierungspotenzial bei Laufrädern?
Ich sehe hier in den nächsten Jahren insbesondere im Bereich von adaptiven Systemen – also in der Abstimmung von Bauteilen aufeinander – einiges Neues auf uns zukommen. Wir bei Leeze arbeiten bereits seit Längerem an „smarten” Prototypen.
Leistungsersparnis
Welche Leistungsersparnis bringen gute Messerspeichen im Vergleich zu klassischen Rundspeichen in Zahlen?
Bei 45 Kilometern pro Stunde sparen wir mit Messerspeichen etwa 1,7 Watt Leistung, bezogen auf beide Laufräder.
Ab welcher Steigung bringen leichte Berg- mehr als Aerolaufräder?
In vielen Fällen ab sechs bis sieben Prozent Steigung.
Sind Felgen- oder Scheibenbremsen aerodynamisch günstiger? Wie fällt der Vergleich bei einer Laufrad-Qualitätsstufe aus?
Die Felgenbremsen sind aerodynamisch günstiger. Mit ihnen lassen sich bei 45 km/h rund zwei Watt sparen – bei 35 km/h entspräche dies einer Ersparnis von einem Watt. Insgesamt ist das Felgenbremssystem zudem auch rund 500 Gramm leichter.
Bezogen auf die Kombination der Felgen- und Reifenbreite: 25 oder 28 Millimeter – was ist aerodynamisch günstiger?
Nach unseren Untersuchungen sind 25-Millimeter-Reifen auf Felgen, die für diese Reifenbreite optimiert sind, günstiger.
Was bringen Keramik-Lager?
Zum Laufrad-Inneren: Was bringen Keramik-Lager in Bezug auf den Leistungsgewinn, die Robustheit und die Lebensdauer?
Der Vorteil liegt bei rund zwei bis vier Watt, je nach der Geschwindigkeit und dem Fahrergewicht. Die Lebensdauer der Lager nimmt etwa um den Faktor zwei bis vier zu.
Welche Verlustleistung erzeugen am Lenker freiliegende, nicht integrierte Brems- und Schalt-Züge beziehungsweise Leitungen?
Weniger als zwei Watt bei 45 km/h – hierzu werde ich mit meinen Studenten demnächst noch weitere genaue Simulationen durchführen und die Ergebnisse präsentieren.
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Aerodynamik, Steifigkeit, Gewicht
Allround- und Aero-Laufräder – so testet RennRad im Labor, im Windkanal und in der Praxis.
Je nach der Körpergröße macht der Fahrer mit seiner Bekleidung und dem Helm bis zu 74 Prozent des Luftwiderstands aus, das Rahmen-Set und die Laufräder jeweils etwa acht Prozent“, sagt Eric Helter, Aerodynamik-Experte beim Hersteller Leeze. Das Vorderrad allein macht 80 Prozent des gesamten Luftwiderstands jedes Laufradpaares aus – das Hinterrad nur 20 Prozent, da es sich im Windschatten des Sitzrohres dreht.
Deshalb werden bei den RennRad-Laufrad-Tests im Windkanal lediglich die Vorderräder gemessen. Die Messungen werden je zweimal mit 35 und 45 Kilometern pro Stunde durchgeführt. Die Laufräder werden dabei mit der jeweiligen Test-Geschwindigkeit über eine Walze angetrieben, was die Praxisverhältnisse widerspiegelt.
Alle Messungen der jüngsten Tests wurden mit demselben Continental-Grand-Prix-5000-Reifen durchgeführt, da die Serienstreuung der Reifen die Ergebnisse um bis zu einem Watt beeinflussen kann. Die Messtoleranz des Windkanals beträgt +/- 0,2 Watt. Damit auch Seitenwindverhältnisse beurteilt werden können, dreht sich der komplette Versuchsaufbau von plus nach minus 20 Grad – für jeden Winkel erhalten wir einen Messwert.
So testet RennRad im Windkanal
Gewichtete Leistung
Die Auswertungssoftware der Experten des Windkanals der Gesellschaft für Strömungsmesstechnik GST in Immenstaad am Bodensee berechnet abschließend die „gewichtete Leistung“ in Abhängigkeit der Anströmwinkel.
Das heißt: Jeder einzelne Winkel mit der dazugehörigen Leistung wird in dem Maße prozentual gewichtet, wie er beim Rennradfahren auf der Straße vorkommt. So kommt der Null-Grad-Winkel, die Frontal-Anströmung, im Praxiseinsatz am häufigsten vor und wird somit bei der Berechnung auch höher gewichtet als etwa der 20-Grad-Winkel.
Welche Laufräder für welche Strecken?
Eine Kernfrage der jüngsten RennRad-Laufrad-Tests lautete auch: Um wie viel schneller sind Aero-Laufräder mit Felgenhöhen von 55 bis 63 Millimetern im Vergleich zu den Modellen mit geringeren Felgenhöhen? Solche Allround-Laufräder mit Felgenhöhen von 24 bis 35 Millimetern sind meist recht leicht, bereits aerodynamisch optimiert und preislich in der Regel noch im Rahmen des mittleren Preissegments. Sie bieten somit einen Kompromiss zwischen sehr leichten, aber oft auch teuren Berg- und schnellen Aero-Laufrädern, die durch ihre hohen Felgen oft schwerer und zudem teurer sind.
Ein weiterer wichtiger Faktor für die Praxistauglichkeit von Aero-Laufrädern ist die Seitenwindempfindlichkeit. Bei starkem Seitenwind trifft der Wind seitlich auf den Fahrer und sein Rennrad – und kann diese je nach seinem Winkel und der Windgeschwindigkeit um bis zu mehrere Zentimeter seitlich verschieben. Zum anderen beeinflusst der Seitenwind das Steuerungsverhalten, indem er ein Lenkmoment am Vorderrad erzeugt. Dies nimmt der Fahrer in der Regel als ein „Flattern“ des Lenkers beziehungsweise des Vorderrades wahr. Die normale Reaktion auf diese Seitenwindeffekte: Man „lenkt dagegen“ und verlagert seinen Körperschwerpunkt etwas in jene Richtung, aus der der Wind weht. Dies ist eine Situation, wie sie wohl jeder Rennradfahrer schon mehrfach erlebt hat. Man kann dabei Zeit und Schwung verlieren, Schrecksekunden erleben – oder gar stürzen.
Seitenwindanfälligkeit
Diese Seitenwindanfälligkeit nimmt in der Regel mit steigenden Felgenhöhen zu. Bis zu 60 Prozent des Seitenwind-Einflusses kommen dabei über die Laufräder. Da im GST-Windkanal auch das auf die Laufräder einwirkende Dreh- oder Lenkmoment bei seitlichen Wind-Anströmungen gemessen werden kann, lassen die RennRad-Tests auch objektive Urteile über die Seitenwindanfälligkeit der getesteten Laufräder zu.
In diesen Testfeldern – von für Felgenbremsen-Systeme geeigneten Laufrädern – war Leeze mit dem Aero-Laufradsatz CC 58 Road EVO WASO und dem Allround-Modell CC 35 Road EVO WASO vertreten. Die CC 58 überzeugten im Vergleichstest mit Top-Werten im Windkanal sowie mit einem geringen Gewicht und einem in der Relation zu den anderen getesteten Laufrädern guten Preis-Leistungs-Verhältnis. Die CC 35 überzeugten in der Klasse der getesteten Allround-Laufräder mit mittelhohen Felgen mit den mit Abstand besten Aero-Werten. Die ausführlichen Testbriefe mit allen Messergebnissen aus dem Windkanal – vom Prüfstand und aus der Praxis – finden Sie auf der RennRad-Website unter folgenden Links:
Leeze CC 58 Road EVO WASO im Test: Race-Tipp der Aero-Laufräder
Leeze CC 35 Road EVO WASO im Test: Race-Tipp der Allround-Laufräder
