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Drehmoment + Leistung

soyac

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Hier wird hin und wieder mal das Thema Drehmoment im Zusammenhang mit der Leistungsermittlung erwähnt. Wie sind denn jetzt eigentlich die genauen Abhängigkeiten zwischen Drehmoment und Leistung? Die ganz simplen physikalischen Zusammenhänge bedürfen für die Leistungsmessung im Radsport wohl einiger Modifikationen.

Ganz offenbar sind die vom Leistungsmessgerät ausgewiesenen Drehmomente nicht immer direkt vergleichbar (siehe hier ). Ganz offenbar muss neben der Frequenz, die offenbar nicht als Trittfrequenz verstanden werden darf, sondern als Umdrehung/Sekunde (sprich Hertz) auch noch die Kreiskonstante pi, der Faktor 2 für beide Beine sowie der menschliche Wirkungsgrad von rund 25% berücksichtigt werden.

Wer fühlt sich dazu berufen das hier mal auseinanderzuklamüsern?
 
AW: Drehmoment + Leistung

Hier mal die Formel aus dem anderen Beitrag auseinanderklamüsert:

P = Leistung ist Arbeit pro Zeit, man muss also erst man überlegen, wieviel
Arbeit man pro Kurbelumdrehung verrichtet, wenn man mit einem bestimmten Drehmoment D reintritt. D ist hier das durchschnittliche Drehmoment auf der gesamten Umdrehung. In Wirklichkeit variiert dies natürlich stark.
Also:

1) W_u = Die Arbeit auf einer Kurbelumdrehung = F * s, wobei s die Strecke ist, welche die Pedalachse zurücklegt.

2) D = Drehmoment = F*r , wohei F= Kraft und r die Kurbellänge

3) W_u = F*s = D/r *s, das D/r kommt aus 2)

4) s=2*pi*r, in 3) einsetzen ergibt

5) W_u = D/r * 2*pi*r, hier kann man r wegkürzen, und man bekommt

6) W_u = D*2*pi

Wir möchten ja P=Leistung ausrechen. Jetzt muss man noch die Trittfrequenz reinbekommen. Man stelle sich also vor, man hat die Kurbel n mal herumbekommen, also die Arbeit W_u*n geleistet. Die Leistung während dieser Zeit war dann:

7) P = W_u*n/t = D*2*pi*n/t , n/t ist die Trittfrequenz in Herz (pro Sekunde) Radfahrer geben die aber pro Minute an, also modifiziert sich die Formel:

8) P = D*2*pi*TF/60, wie in dem anderen Beitrag


Jetzt muss man aber noch beachten, dass man zwei Kurbeln hat, und mit beiden tritt ;-) Darum muss man das ganze noch mit zwei multiplizieren, wenn man mit D das Drehmoment pro Kurbel meint:

9) P=D*4*pi*TF/60

8) und 9) sind aber beide richtig, man muss nur dazusagen, ob man das gesamte Drehmoment, oder das pro Kurbel meint.

Das ganze gilt jetzt z.B. für ein SRM-System. Was, wenn man aber ein Power-Tab hat, das in der Nabe misst? Durch die Übersetzung wird das Drehmoment an der Nabe kleiner. Die Formel für die Umrechung für das Drehmoment an der Nabe (Dn) und am Tretlager (Dt) (Formel 9) ist:

Dt = blatt/ritzel * Dn, hier ist ritzel die Zähnezahl am Ritzel und blatt die vom Blatt.


Die 25% Wirkungsgrad des Körpers ist bei der Leistungsmessung total egal. Die Systeme messen ja nur, was auf die Pedale kommt.

Übrigens, wenn die Hersteller so 3% Genauigkeit für ihre Geräte angeben, dann würde ich mich nicht wundern, wenn die Geräte in der Praxis bis zu 10% unterschiedliche Messwerte liefern. Schlechte Kalibrierung, Wartung, Temperatureinflüsse, instabile Elektronik, mechanische Instabilität, usw .. haben sicherlich einen Einfluss auf die Messung.

Jetzt fehlen nur noch Powermeter, die man sich auch leisten kann!!

Hoffentlich habe ich jetzt keinen Fehler in der Rechnung ;-)

Schöne Grüße!
 
AW: Drehmoment + Leistung

Dt = blatt/ritzel * Dn, hier ist ritzel die Zähnezahl am Ritzel und blatt die vom Blatt.
... und dieser Wert ist > 1. Mein PT zeigt aber (vermutlich) rund 25% kleinere Drehmomente an. Durch Blatt und Ritzel ändert sich nur die Kraftgröße bezogen auf den Hebelarm aber nicht das Drehmoment insgesamt. Damit dürfte Deine Aussage:
Die 25% Wirkungsgrad des Körpers ist bei der Leistungsmessung total egal. Die Systeme messen ja nur, was auf die Pedale kommt.
.... für die praktische Vergleichbarkeit unterschiedlicher Messsysteme nicht ganz stimmen.

Das was Ingmar schreibt scheint eher zu passen. Wobei ich das offengestanden, wissenschaftlich betrachtet ziemlich fragwürdig finde:

Denn das Drehmoment was gemessen wird resultiert aus der Kraft die ich auf die Pedale bringe - Punkt! Für diese Messtechnik zahlt man heutzutage den noch vergleichsweise hohen Preis. Warum dann plötzlich der menschliche Wirkungsgrad wieder draufgerechnet oder runtergerechnet wird ist schon seltsam.

Zu den beiden Zahlen aus dem anderen Beitrag:
ca. 40 Nm bei 17,5 cm Kurbel bedeuten knapp 23 kg Tretkraft. (SRM)
ca. 10 Nm bei 17,5 cm Kurbel würden nur 5,7 kg Tretkraft bedeuten. (Powertap)

Welche der beiden Kräfte entsprechen nun der real aufgebrachten Kraft? Eigentlich dürften es nur die 5,7 kg sein - was ich erstmal recht wenig finde. Wie seht ihr das?
 
AW: Drehmoment + Leistung

Durch Blatt und Ritzel ändert sich nur die Kraftgröße bezogen auf den Hebelarm aber nicht das Drehmoment insgesamt.
Selbstverständlich ändert sich durch die Übersetzung auch das Drehmoment. Es ändert sich ja auch die Drehzahl. Konstant bleibt nur die Leistung.

Beispiel:

- Drehmoment an der Kurbel 40 Nm, TF 90.
- Übersetzung 52:13 = 4:1
- Somit Drehmoment am Hinterrad 10 Nm, Drehzahl 360 U/min
- Leistung ist hier übrigens 377 Watt, Geschwindigkeit ca. 44 km/h (Rennrad)

Hat mit dem menschlichen Wirkungsgrad weiterhin nichts zu tun.
 
AW: Drehmoment + Leistung

Aber nicht auf’s Gesamtsystem bezogen. Der Radumfang, der die Leistung auf die Straße bringt, bleibt gleich. Der Krafteinsatz ändert sich nur in Abhängigkeit der Trittfrequenz.
 
AW: Drehmoment + Leistung

Aber nicht auf’s Gesamtsystem bezogen. Der Radumfang, der die Leistung auf die Straße bringt, bleibt gleich. Der Krafteinsatz ändert sich nur in Abhängigkeit der Trittfrequenz.
Verstehe nicht wie du das meinst.
 
AW: Drehmoment + Leistung

Hier wird ja momentan schneller geantwortet als man mit dem Antworten hinterherkommt ;)

Dein Beispiel habe ich erst nach meiner Antwort gesehen … muss ich nochmal drüber nachdenken - bin kein Maschinenbauer … könnte aber sein, dass es mir beim Verständnis hilft …
 
AW: Drehmoment + Leistung

So! Ich denke ich hab's kapiert. War irgendwie zu kompliziert herangegangen. Die Information dass die Kette bei gleichem Drehmoment an der Kurbel immer dieselbe Zugkraft auf’s Hinterrad ausübt hätte vermutlich auch gereicht. Damit weist das Powertapsystem je nach Ritzeldurchmesser unterschiedliche Drehmomente aus, während sie beim SRM-System durchaus gleich bleiben können.

Um also Drehmomente unterschiedlicher Messsysteme miteinander vergleichen zu können braucht es neben der Trittfrequenz auch noch Informationen zum gewählten Übersetzungsverhältnis.

@ colnago-Treter:
Deine von mir zuvor in Frage gezogene Umrechnungsformel SRM / Powertap ist korrekt.
 
AW: Drehmoment + Leistung

Hallo Soyac,

Du benutzt also einen Powertab, und das Gerät gibt Dir Drehmomente an?
Der Powertab "weiß" doch nicht, welchen Gang Du gerade eingelegt hast, oder?

Ich schlage Dir zur Lösung mal folgendes Experiment vor:

Suche Dir einen Anstieg mit gleichmäßiger Steigung und fahre den mal mit konstanter Leistung hoch. Dann hast Du alle Werte für die Formeln, bis auf das Drehmoment. Jetzt kannst Du es mit den Formeln ausrechnen und mit der Zahl vom Powertab vergleichen. Du kannst das Experiment auch mit verschiedenen Gängen bei der gleichen Geschwindigkeit wiederholen.

Sagen wir mal 300 W Leistung und Übersetzung 39/19 sollte an der Nabe
bei einer TF von 60 ein Drehmoment von etwa 24 Nm ergeben. (Nach der Formel P=2*pi*D)

Das Drehmoment an der Nabe ist übrigens vom eingelegten Gang unabhängig. Die Nabe muss ja nur das Hinterrad drehen, dass mit einer bestimmten Leistung gebremst wird und die Kraft mit dem Drehmoment D, was an der Nabe 'eingeleitet wird' auf die Straße
überträgt.

Durch die verschiedenen Gänge ändert sich lediglich das Drehmoment, was man mit den Beinen an der Kurbel aufbringen muss.
Kannst Du ja auch mal nachtesten. Bei einem kleineren Gang schwankt das Drehmoment lediglich schneller.


Hier noch eine andere Formel, mit der Du das Drehmoment an der Nabe direkt aus Leistung und Geschindigkeit berechnen kannst:

P = D/r *v (D=Drehmoment, r= Laufradradius, v= Geschindigkeit in Meter pro Sekunde )

also, mit den 377 Watt und den 44 km/h=12,2 m/s von eben (Beitrag von EagleFlight) ergibt sich:

D= P*r / v = 377*0,33/ 12,2 = 10 Nm, passt also alles zusammen.
Bei meinem eigenen Beispiel kommt auch wieder derselbe Wert für D heraus.
- Ich finde das übriges erstaunlich wenig. Man bügelt mit 44 km/h über die Straße und am Hinterrad wirkt gerade mal das Moment eines mittleren Schraubenschlüssels - enttäuschend ;-)

Jetzt ist mir aber auch klar, warum meine Campa Zondas aus den 90ern am Berg Geräusche manchten, und in der Ebene nicht ;-)


Was genau steht eigentlich in der Anleitung des PT zum Drehmoment?
 
AW: Drehmoment + Leistung

Hier noch eine andere Formel, mit der Du das Drehmoment an der Nabe direkt aus Leistung und Geschindigkeit berechnen kannst:

P = D/r *v (D=Drehmoment, r= Laufradradius, v= Geschindigkeit in Meter pro Sekunde )

Genau so dürfte die Powertapnabe das Drehmoment auch berechnen. Ich wollte eigentlich einen kleinen Auszug der csv-Datei des Geräts anhängen … geht aber glaub’ ich nicht, oder? Jedenfalls passt das immer!

Einzugeben ist nämlich nur der Reifenumfang. Die Geschwindigkeit wird dann über die Umdrehungen des Hinterrades und den Reifenumfang berechnet.

Tja, aber wie kommt er zur Trittfrequenz? Da bin ich jetzt auf die Schnelle noch nicht hinter. Denn einen Trittfrequenzsender gibt es nicht. Man kann ihn aber optional ordern. Also muss er sich die TF über die ihm zur Verfügung stehenden Hinterradinformationen errechnen.

In der Beschreibung ist über dieses Thema nix zu lesen.
 
AW: Drehmoment + Leistung

PT braucht die TF nicht um die Leistung zu berechnen.

Wie an der Kurbel so gilt auch am Hinterrad, dass

P = 2*pi*M*f

P: Leistung
M: Drehmoment
f: Drehzahl in 1/sec

Wird denn die TF von PT in den Daten angezeigt, auch ohne Sensor?
 
AW: Drehmoment + Leistung

Genau so dürfte die Powertapnabe das Drehmoment auch berechnen. Ich wollte eigentlich einen kleinen Auszug der csv-Datei des Geräts anhängen … geht aber glaub’ ich nicht, oder? Jedenfalls passt das immer!

Einzugeben ist nämlich nur der Reifenumfang. Die Geschwindigkeit wird dann über die Umdrehungen des Hinterrades und den Reifenumfang berechnet.

Tja, aber wie kommt er zur Trittfrequenz? Da bin ich jetzt auf die Schnelle noch nicht hinter. Denn einen Trittfrequenzsender gibt es nicht. Man kann ihn aber optional ordern. Also muss er sich die TF über die ihm zur Verfügung stehenden Hinterradinformationen errechnen.

In der Beschreibung ist über dieses Thema nix zu lesen.

Dann bin ich mir sicher, dass ich weiß, wie der Sensor arbeitet: Er misst zum einen das Drehmoment D.


Über die Drehgeschindigkeit des Hinterrades zusammen mit dem Umfang des Hinterrades errechnet er sich, wie ein Tacho die Geschindigkeit v.

Dann kann er mit der Formel P = D/r *v die Leistung ausrechen.


EDIT: Was dann genau die Formel von EagleFlight ist, wenn man v = 2*pi*r*f einsetzt.
In der Fomel von EagleFlight kommt gar kein Laufradumfang vor ;-) Den braucht das Gerät also nur, um auf dem Display die
Geschindigkeit anzuzeigen.

Wenn wir jetzt so weitermachen, dann bauen wir das Gerät nach, nur viel besser und günstiger natürlich ;-)
 
AW: Drehmoment + Leistung

Übrigens, wenn die Hersteller so 3% Genauigkeit für ihre Geräte angeben, dann würde ich mich nicht wundern, wenn die Geräte in der Praxis bis zu 10% unterschiedliche Messwerte liefern. Schlechte Kalibrierung, Wartung, Temperatureinflüsse, instabile Elektronik, mechanische Instabilität, usw .. haben sicherlich einen Einfluss auf die Messung.
.
10% Fehler sind bei korrekter Bedienung und Wartung für ein SRM imo zu hoch angesetzt. Dass die ab Werk angegebene Genauigkeit nur erreicht wird, wenn das System korrekt kalibriert ist und die Steigung und Zero Offset korrekt eingegeben werden liegt natürlich auf der Hand, den Zero Offset (das ist die Frequenz die das System sendet, wenn kein Drehmoment anliegt) stellt man allerdings vor jeder Fahrt ein (dauert 30 sec) und man kann den Wert auch unterwegs selbst während der Fahrt noch nachjustieren und so z.B. Temperaturschwankungen ausgleichen. Bei sehr kalten Bedingungen schwankt der Zero Offset schon mal um ein paar Herz, selten um mehr als 7 (bzw. nur wenn man das Rad aus der warmen Wohnung kommend Temperaturen nahe Null aussetzt). Der Fehler für die Wattwerte errechnet sich dann bei einem Fehler im ZeroOffset aus der Formel
P = Zeroffset-Fehler /Steigung *2*pi*TF/60.
wobei die Steigung der Anstieg der Signalfrequenz je Newtonmeter ist. Bei meinen System lag die Steigung ab Werk bei 18,7 Hz je NM, die Rekalibrierung nach 1,5 Jahren Nutzung ergab 18,8. Bei 18,7 Hz Steigung macht ein Fehler im ZeroOffset von 10 Hz bei Tf von 90 ca. 5 Watt aus.

Bleibt als Fehlerquelle noch die mechanische Stabilität. Je unsymetrischer ein System aufgebaut ist desto mehr Dehnmeßstreifen hat es i.d.R. Das Standard-PM hat 4, bei den FSA und DuraAce Versionen sind 8 verbaut, diese Systeme sind alle mit 2% Genauigkeit angegeben wobei nach verschiedenen Berichten das Standardsystem mit nur 4 Dehnmeßstreifen das genaueste sein soll und deutlich unter 2% liegt. Ähnlich präzise arbeitet angeblich das Cannondale SI das Du hier geöffnet sehen kannst
http://i234.photobucket.com/albums/ee206/pritchet74/IMG_1647.jpg
Wie zu sehen ist ist der Kern des Powermeters abgesehen von der Aussparung für die Batterie vollständig symmetrisch ausgeführt, warum das so gemacht wird dürfte klar sein. Das DA-System ist angeblich weniger symetrisch aufgebaut und hat daher trotz 8 DMS eine geringere Genauigkeit als die anderen Systeme liegt aber wohl immer noch im 2%-Spektrum. 8 DMS sind ansonsten noch in den sog. Wissenschaftssystem von SRM verbaut, die mit 0,5% Genauigkeit angegeben sind und bei denen die Genauigkeit sicher regelmäßig von den Anwendern geprüft wird. Und wenn das alles nicht reicht gibt es für Bahnwettbewerbe auch noch Systeme mit 2 Reedswictches .....
 
AW: Drehmoment + Leistung

.
10% Fehler sind bei korrekter Bedienung und Wartung für ein SRM imo zu hoch angesetzt. Dass die ab Werk angegebene Genauigkeit nur erreicht wird, wenn das System korrekt kalibriert ist und die Steigung und Zero Offset korrekt eingegeben werden liegt natürlich auf der Hand, den Zero Offset (das ist die Frequenz die das System sendet, wenn kein Drehmoment anliegt) stellt man allerdings vor jeder Fahrt ein (dauert 30 sec) und man kann den Wert auch unterwegs selbst während der Fahrt noch nachjustieren und so z.B. Temperaturschwankungen ausgleichen. Bei sehr kalten Bedingungen schwankt der Zero Offset schon mal um ein paar Herz, selten um mehr als 7 (bzw. nur wenn man das Rad aus der warmen Wohnung kommend Temperaturen nahe Null aussetzt). Der Fehler für die Wattwerte errechnet sich dann bei einem Fehler im ZeroOffset aus der Formel
P = Zeroffset-Fehler /Steigung *2*pi*TF/60.
wobei die Steigung der Anstieg der Signalfrequenz je Newtonmeter ist. Bei meinen System lag die Steigung ab Werk bei 18,7 Hz je NM, die Rekalibrierung nach 1,5 Jahren Nutzung ergab 18,8. Bei 18,7 Hz Steigung macht ein Fehler im ZeroOffset von 10 Hz bei Tf von 90 ca. 5 Watt aus.

Bleibt als Fehlerquelle noch die mechanische Stabilität. Je unsymetrischer ein System aufgebaut ist desto mehr Dehnmeßstreifen hat es i.d.R. Das Standard-PM hat 4, bei den FSA und DuraAce Versionen sind 8 verbaut, diese Systeme sind alle mit 2% Genauigkeit angegeben wobei nach verschiedenen Berichten das Standardsystem mit nur 4 Dehnmeßstreifen das genaueste sein soll und deutlich unter 2% liegt. Ähnlich präzise arbeitet angeblich das Cannondale SI das Du hier geöffnet sehen kannst
http://i234.photobucket.com/albums/ee206/pritchet74/IMG_1647.jpg
Wie zu sehen ist ist der Kern des Powermeters abgesehen von der Aussparung für die Batterie vollständig symmetrisch ausgeführt, warum das so gemacht wird dürfte klar sein. Das DA-System ist angeblich weniger symetrisch aufgebaut und hat daher trotz 8 DMS eine geringere Genauigkeit als die anderen Systeme liegt aber wohl immer noch im 2%-Spektrum. 8 DMS sind ansonsten noch in den sog. Wissenschaftssystem von SRM verbaut, die mit 0,5% Genauigkeit angegeben sind und bei denen die Genauigkeit sicher regelmäßig von den Anwendern geprüft wird. Und wenn das alles nicht reicht gibt es für Bahnwettbewerbe auch noch Systeme mit 2 Reedswictches .....

Du hast mich überzeugt. Die Systeme sind technisch ziemlich ausgereift und es gibt bei SRM zudem sogar einen Kalibrationsservice. Die letzte Möglichkeit, den Fehler über die 2%-Schwelle zu befördern, wäre eine Systematik im SRM internen Kalibratonsverfahren. - Kann ich mir aber nicht vorstellen.

Lassen sich PowerTabs auch kalibrieren?
 
AW: Drehmoment + Leistung

P = 2*pi*M*f

P: Leistung
M: Drehmoment
f: Drehzahl in 1/sec

Wird denn die TF von PT in den Daten angezeigt, auch ohne Sensor?
Genau. D.h. bei sich drehendem Hinterrad wird auch eine TF in der CPU angezeigt -egal ob man wirklich tritt oder nicht. Ähnlich wie bei den Flightdecks. Deshalb auch die optionale Erweiterung für einen "wahren" TF-Messer.

Deine Formel nach f (--> TF) umgestellt hat das Dilemma, dass sie nur gültig für ein bekanntes Drehmoment an der Kurbel ist (sprich vom SRM), aber nicht für das an der Hinterradnabe (PT).

Daher vermute ich eher dass einen Zusammenhang zwischen Laufradumfang, Kurbelumfang, Geschwindigkeit, Nabendrehmoment und Hinterraddrehzahl geben muss, sodass das Übersetzungsverhältnis berücksichtigt wird.

Anbei mal ein paar Werte aus meiner PT-Datei, weil ich nicht weiss wie ich sie anhängen soll:
Nm km/h Watt Kadenz
12,127 16,023 159 65 (beim Antreten auf Tacx-Rolle)
5,153 24,667 104 96 (Tacx-Rolle)
6,416 46,289 243 105 ( " )
4,954 46,868 190 105 ( " )
6,874 48,536 273 109 ( " )

Edit:
[ach Mist, da geb' ich mir mit jeder Menge Leerzeichen große Mühe dass alles schön untereinander steht und dann das ... naja ... ]
 
AW: Drehmoment + Leistung

Lassen sich PowerTabs auch kalibrieren?
Ja. Ist sogar komfortabler als beim SRM. Im Freilauf muss nur das Drehmoment regelmässig genullt werden. Ist 'ne Sache von einigen Sekunden. Die PT-Nabe arbeitet auch mit Dehnmessstreifen und bewegt sich angeblich im gleichen Genauigkeitsbereich wie SRM. Einzig durch die Kettenreibung verursachte Zusatzverluste zeigt PT nicht an. Die sollten aber vernachlässigbar sein.

... ich finde gerade einen guten Link nicht wieder der alle PT-Systeme gut vorgestellt und miteinander verglichen hat ...
 
AW: Drehmoment + Leistung

Genau. D.h. bei sich drehendem Hinterrad wird auch eine TF in der CPU angezeigt -egal ob man wirklich tritt oder nicht. Ähnlich wie bei den Flightdecks. Deshalb auch die optionale Erweiterung für einen "wahren" TF-Messer.
Ein Flight Deck kennt aber den eingelegten Gang - den kennt ja PT nicht.

Habe mal eben nachgesehen in der Bedienungsanleitung vom PT:

Trittfrequenz (C)

Die Trittfrequenz wird an der Nabe gemessen, indem die Art und Weise analysiert wird, wie der Fahrer über den Pedaltritt ein Drehmoment aufwendet, da es natürliche Kraftunterschiede beim Treten des Pedals gibt. Die Trittfrequenz wird von 20 bis 240 U/min. angezeigt.
 
AW: Drehmoment + Leistung

Ein Flight Deck kennt aber den eingelegten Gang - den kennt ja PT nicht.
Ja klar. Mir ging's auch nur um das Prinzip der "virtuellen" Trittfrequenzermittlung.

Stimmt, steht da so unscheinbar drin. Hab den wirklichen Inhalt dieses Satzes bislang einfach überlesen ... klingt irgendwie nach Glaskugel. Bei der Kadenz kann ich damit aber noch wohl leben. Werd' beim nächsten mal mal gucken wie die TF zwischen Powertap und Tacx zusammenpassen.

Jedenfalls ist ein direkter Vergleich der Drehmomente von SRM/Ergomo und Powertap so ohne weiteres nicht möglich. Auch gut, denn letztlich ist ja nur die Leistung entscheidend ...
 
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