Cantilever Geometrie

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Dieser Artikel ist einer von mehreren, die sich mit der Cantileverbremse beschäftigen. Wenn Du nur auf der Suche nach einer Anleitung bist, wie Du Deine Cantilever Bremse oder V-Brake vernünftig eingestellt bekommst, lies die Artikel, die bei Die richtige Bremse für mein Fahrrad verlinkt sind oder lies den Artikel Das 1x1 der Felgenbremsen. Dieser Artikel hier beschäftigt sich eher mit theoretischen Aspekten der Cantilever Geometrie.

Aufbau der Cantilever Bremse

Vor den 1980er Jahren waren Cantileverbremsen unheimliche und exotische Ausrüstungen. Man fand sie zumeist nur an teuren Tandems oder sehr hochwertigen |Tourenfahrrädern Sie waren sogar noch seltener als Dreifachkurbeln. Die Zeiten haben sich geändert und, was früher nur finanzstarken wissenden Fanatikern vorbehalten war, wird heute sogar bei Baumarktfakrrädern eingesetzt.

Nichtsdestotrotz scheint ein wenig Mysterium bei Cantileverbremsen geblieben zu sein. Dieser Artikel will ein wenig das Mysterium lüften und helfen, dass das Einstellen der Cantileverbremsen leichter von der Hand geht, weil Du die wesentlichen Details der Geometrie verstehst, die der Funktion von Cantileverbermsen zugrunde liegen.

Im Speziellen wird die Frage angesprochen, wie lang der Querzug sein muss, bzw. anders ausgedrückt, wie niedrig der Querzugträger montiert werden kann. Bei den meisten Cantileverbremsen hat der Mechaniker relativ freie Wahl, wie das Zugsystem montiert wird. Das hat bedeutenden Einfluss darauf, wie gut die Bremse funktionieren wird. Das trifft insbesondere auf die Low Profile Bremse zu.

Hebelübersetzung

Man kann Fahrradbremsen nicht verstehen, ohne Hebelgesetzte zu verstehen.

"Hebelübersetzung" bzw. "Hebel" bezeichnet das Verhältnis zwischen der Kraft, die man aus dem einen Ende eines Angelpunkts erhält, wenn man eine bestimmte Kraft auf der anderen Seite ausübt. Man könnte vereinfacht sagen, dass die Hebelüberseztung das Kräfte- und Entfernungsverhältnis ist.

Stelle Dir einnen einfache Hebel mit einem Ankerpunkt (Gelenk) ungefähr bei 1/3 der Gesamtstrecke vor (s. Bild).

Seite B ist zweimal so lang wie A. Die Hebelübersetzung beträgt 2:1 (oder 1:2, je nach Sichtweise).

Seite B wird sich zweimal so weit bewegen wie Seite A, aber man benötigt auch auf Seite A zweimal so viel Kraft, um das Gewicht von Seite B anzuheben.

Des Pudels Kern erreicht man durch Ändern des Hebels (z.B. durch das Bewegen des Ankerpunkts). Dabei werden sowohl die aufzuwendende Kraft als auch Bewegungsspielraum gleichzeitig verändert. Sie sind sozusagen beide auf der gleichen Seite der Medaille. Man kann das Kräfteverhältnis nicht ohne das Entfernungsverhältnis ändern.

Bei Fahrradbremsen ist die Hebelübersetzung des Systems das Verhältnis der Kraft, die auf die Felge aufgebracht wird, und der aufzuwendenen Kraft, die die Finger dafür am Bremshebel ausüben müssen. Wenn also ein bestimmtes Bremssystem eine Hebelübersetzng von acht hätte, würde das drücken des Bremshebels mit fünf Kilogramm, eine Gewicht von rund 40 Kilogramm auf die Felge drücken. (Tatsächlich etwas weniger als 40kg, weil man noch Reibeungsverluste einrechnen müsste. Diese werden aber zur Vereinfachung in diesem Artikel ignoriert, weil sie für das Gesamtverständnis nicht wichtig sind.)

Die Hebelübersetzung kann auch aus der Perspektive von Wegeverhältnissen betrachtet werden. Eine Bremse mit hoher Hebelübersetzung bringt mit sehr wenig Handkraft am Hebel sehr viel Kraft über den Bremsschuh auf die Felge auf. Auf der anderen Seite muss man den Bremshebel sehr weit bewegen, um die Bremsschuhe das kurze Stück bis zur Felge zu bewegen. Bei zu hoher Hebelübersetzung trifft der Bremshebel schon den Lenker, bevor die Brenmsschuhe auf die Felge treffen. Wenn man die Bremsschuhe so eng einstellt, dass der Bremshebel nicht den Lenker berührt, kann es passieren, dass beim Loslassen des Bremshebels, die Bremsschuhe nicht mehr weit genug auseinanderbewegt werden, um sich von der Felge zu lösen.

Bei Zangenbremsen ist die Hebelübersertzung durch den Hersteller fest vorgegeben. Man kann sie nicht ändern, außer man tauscht Zangen, Hebel oder die Reifengröße aus. Wenn man kleinere Reifen montiert, muss man die Bremsschuhe weiter nach unten installieren, was die Entfernung der Bremsschuhe zum Ankerpunkt erhöht und die Hebelübersetzung verringert. Wenn man zum Beispiel 622mm (700C) Felgen auf einem Fahhrad benutzt, was für 630mm (27 Zoll) Reifen gebaut wurde, wird die Bremswirkung abnehmen.

Bei Direktzugbremsen wie der V-Brake von Shimano ist die Hebelübersetzung ebenfalls fest vorgegeben. Da sich die Ankerpunkte jedoch unterhalb der Felge befinden, erzeugen kleinere Reifen eine höhere Hebelübersezung - ganz im Gegensatz zu Zangenbremsen. Konventionelle Cantilever-Bremsen erlauben es dem Fahrradnmechaniker innerhalb eines gewissen Rahmens, die Hebelübersetzung zu verändern, in dem die Länge des Querzugs und die Höhe des Querzugträgers verändert wird.

Gefühl und Funktion

Bei Bremsen im Automobil ist ein hartes Pedalgefühl ein Zeichen dafür, dass sich die Bremsen in einem guten Zustand befinden. Ein weiches und schwammiges Pedalgefühl ist meistens ein Zeichen für Probleme - zum Beispiel Luft in den Hydraulikleitungen. Bei Fahrradbremsne ist das völlig anders. Ein knackiges und hartes Bremsgriffgefühl spricht eher für eine Bremse mit wenig Hebelübersetzung. Man betätigt den Bremshebl bis die Bremsschuhe die Bremsflanken berühren. Dann ist keine weitere Bewegung möglich. Bremsen mit hoher Hebelübersetzung fühlen sich vergleichsweise schwammig an. Das liegt daran, dass die hohe Hebelübersetzung dafür sorgt, dass die Bremsschuhe auf der Felge durch den hohen Druck zusammengedrückt werden. Das fühlt man im Bremsgriff in den Fingern. Bremsen, die sich steinhart anfühlen, sind eher was für den Montageständer oder für die Ausstellung. Wenn es aber darum geht, das Fahrrad wirklich zu entschleunigen, ist der "schwammige Aufbau" besser. Man benötigt weniger Kraft in den Fingern und hat mehr Sicherheitsreserven bei nassen Bedingungen.

Definitionen

Für diesen Artikel werden ein Abstand, zwei Hebelarme und drei Winkel wie in der Illustration gezeigt, definiert:

Gelenk-Zug Abstand (GZ)/(PC)

Dies sit die kürzeste Distanz zwischen der Mitte des Gelenks und dem Querzug. Bei Low-Profile Bremsen ist das die Entfernung zwischen Gelenk und der gedachten Linie, die den Querzu verlängert.

Gelenk-Schuh Hebelarm (GS)/(PS)

Verläuft von der Mitte des Gelenks zu dem Teil des Bremsschuhs, der die Felge berührt. Ist der Lastarm im Sinne des Hebelgesetzes.

Gelenk-Zugklemm Hebelarm (GK)/(PA)

Verläuft von der Gelenkmitte zur zum Klemmpunkt am Ende des Querzugs. Is der Kraftarm im Sinne des Heblegesetzes.

Querzugträgerwinkel

Der Winkel des Querzugs in Bezug auf die Horizontale

Zugklemmwinkel

Der Winkel zwischen dem Verklauf des Querzugs und dem GK (Gelenk-Zugklemm Hebel).

Cantileverwinkel

Der Winkel zwischen GS (Gelenk-Schuh Hebel) und GK (Gelenk-Zugklemm Hebel)

Datei:Canti.gif

Cantilevertypisierung

Traditionelle Cantilever-Bremsen können in drei Kategorein eingeteilt werden, die sich über den Cantileverwinkel definieren:

• Großwinkelige Cantilever, deren Cantileverwinkel deutlich über 90° liegt (Englisch: Wide profile). Das beste Beispiel hierfür sind die alten Mafac Canitilever-Bremsen, bei denen der Gelenk-Zugklemm Hebelarm (GK) je nach Aufbau sogar abwärts geneigt sein konnte. Diese Art ist inzwischen so gut wie ausgestorben. Diese Wide Profile Bremsen hatten eine sehr geringe Hebelübersetzung und funktionierten ausschließlich mit Bremshebeln, die eine sehr hohe Hebelübersetzung hatten.
• Rechtwinkelige Cantilever haben einen Cantileverwinkel von um die 90° (Englisch: Mid profile). Die meisten in den späten 1980er Jahren gebauten Cantilever-Bremsen fallen in diese Kategorie. Diese Mid Profile Bremsen sind sehr nachsichtig und bieten bei den meisten Installationen die beste Bremsleistung unter allen Besdinungen.
• Schmalwinkelige Cantilever haben einen Cantileverwinkel unter 90° (Englisch Low profile). Der Hauptvorteil dieser Kategorie ist der, dass sie nicht so weit seitwärts aus dem Rahmen oder der Gabel herausragen. Das ist auch gewollt, weil weit herausragende Cantilever-Arme können einige Probleme verursachen, wie zum Beispiel, dass hinten die Füße des Fahrers anstoßen können. Auch Low Profile Bremsen können exzellente Bresleistung bieten - dazu müssen sie aber penibel installiert und eingestellt werden. Schlecht montierte Low Profile Bremsen haben schlechte Bremsleistung, auch wenn es sich am Montageständer zuerst gut angefühlt hat.

Varianten der Cantilever-Bremse fallen in eigenen Kategorien:

• Direktzugbremsen wie zum Beispiel Shimanos V-Brake, die keinen separaten Querzug besitzen.
• Roller-Cam Bremsen, die auf abweichenden und nicht kompatiblen Sockeln montiert werden.
• U-Brakes, die auf den gleichen Sockeln wie Roller-Cam Bremsen montiert werden.

Hebelübersetzungen von Cantilevern

Drei separate Faktoren bestimmen die Hebelübersetzung eines jeden Cantilever-Brems Systems. Die verfügbare Gesamthebelübersetzung ist das Produkt aus diesen drei Werten (also alle Werte miteinander multiplizieren):

1. Die Hebelübersetzung des Bremshebels ist der erste Faktor. Seine Hebelübersetzung bestimmt sich durch die Entfernung vom Gelenk des Hebels zum Zugende. Zusätzlich spielt noch die Länge des Bremsgriffs vom Gelenk bis zu dem Punkt, an dem die Finger des Fahrers greifen, eine Rolle. Typische Mountainbikebremsgriffe haben eine Hebelübersetzung von 3,5, veraltete Dropbarbremsbgriffe hatten etwa 4 und Aerodropbarbremsgriffe liegen bei ca. 4,5. Bremsgriffe für Direktzugbremsen haben ungefähr 2.
   Shimano Servo Wave ® und Odyssey Bremsgriffe haben eine variable Hebelübersetzung, die ansteigt, je mehr man den Griff zieht.
   
   Zwei getrennt zu betrachtende Aspekte des Cantilever Systems bestimmen dessen Hebelübersetzung:
2. Die Hebelübersetzung eines individuellen Cantilevers ist das Verhältnis zwischen der Gelenk-Zug Abstand (GZ) und der Länge des Gelenk-Schuh Hebelarms (GS). GZ ist am längsten, wenn der Zugklemmwinkel 90° ist. Dann liegen GZ und GK auf einer Linie. Manche Autoritäten empfehlen, die Länge des Querzugs entsprechend der Hebelübersetzung zu wählen. Sheldon Brown glaubte, das das eine unnötige Vereinfachung ist. Bei Wide- bzw. Mid-Profile Bremsen steigt die Hebelübersetzung, wenn der Bremsschuh nach innen wandert. Sie steigt also mit zunehmendem Bremsenverschleiß. Bei Low Profile Bremsen nimmt die Hebelübersetzung bei gleichen Bedinungen allerdings ab.
   Die Hebelübersetzung einer typischen Low Profile Cantilever Bremse liegt zwischen 1 und 2. Mid Profile Cantis haben etwas mehr Hebelübersetzung.
3. Mehr Einfluss auf die Hebelüberstzung einer gut eingestellten Cantilever Bremse (insbesondere bei Low Profile Bremsen) hat der Querzug. Die Hebelübersetzung wird strikt durch den Querzugträgerwinkel bestimmt.
   Die Formel hierfür lautet
   
   1/sin(Querzugträgerwinkel)

Für diejenigen ohne Rechenschieber zur Hand folgen hier einige vorberechnete Werte:

Winkel	Hebelübersetzung
90°	1
80°	1.015
70°	1.063
60°	1.15
50°	1.31
40°	1.55
30°	2
20°	2.92
10°	5.76
5°	11.47
0°	Unendlich!

Zwei Werte sind eher theoretischer Natur, weil man sie in der Praxis so nicht verwirklichen kann:

• Ein 90° Querzugträgerwinkel würde in einem unendlich langen Querzug enden, so dass auf beiden Seiten des Querzugträgers der Zug vertikal nach unten verlaufen würde.
• Ein 0° Querzugträgerwinkel würde im kürzest möglichen Querzug münden, so dass vom Querzugträger aus der Querzug in einer exakt geraden Linie horizontal wegführen würde.

Wie man der Tabelle entnehmen kann, ist ein kürzerer und horizontalerer Querzug mit einer höheren Hebelübersetzung gesegnet. Dieser Effekt sorgt dafür, dass auch eine Low Profile Bremse eine sehr gute Bremsleistung erzeugen kann.

Spezielle Überlegungen zu Low-Profile Cantilevern

The small cantilever angle of narrow-profile brakes causes the anchor arm (PA) to be nearly vertical, especially on mountain bikes that have wide-set pivot bosses and narrow rims. Traditional good practice had been to slide the brake shoe holders all the way into the eyebolts, so that the back of the shoe butts up against the cantilever arm. This is not the case with the newer low-profile models.

With low-profile cantilevers,, the shoe needs to be extended inward from the arm, increasing the effective cantilever angle . The unsupported length of shaft connecting the brake shoe to the arm may cause an increased tendency to squeal, but that is one of the inherent trade-offs of low-profile brakes.

Many newer cantilevers replace the separate transverse cable and yoke with "link wire." This is a cable carrier that has a length of narrow housing running from the yoke to the anchor arm. The primary cable runs through this housing, and forms half of the transverse cable. There is a guide line printed on the round yoke, which is intended to be lined up with the exposed side of the transverse cable.

Link wires are commonly available in five lengths:

Kodierung	Länge	Verbindungszüge unterschiedlicher Längen
S	63 mm
A	73 mm
B	82 mm
C	106 mm
D	93 mm

If you substitute a conventional yoke and separate transverse cable, you may be able to increase the mechanical advantage slightly on a particular bicycle. In general, the stock set up works about as well as possible, but only if you use the Shimano guide.

Since the yoke angle is so critical to the mechanical advantage, the mechanical advantage gets less and less as the brake is engaged, and as the brake shoes wear down. The short transverse cables necessary to get high mechanical advantage from low-profile cantilevers exaggerate this effect, because the yoke angle gets larger for a given amount of upward travel of the yoke. Thus, low-profile cantilevers should be set up with minimum pad clearance if you want to get high mechanical advantage when the brake is actually engaged.

Direktzugbremsen (V-Brake)

The latest thing in cantilevers is the direct-pull cantilever, popularly known by Shimano's trademark "V-Brake". These resemble very tall, low-profile cantilevers, but they do not have a separate transverse cable. They are a side-pull, rather than center-pull design. One arm has the housing stop, and the inner cable runs from the top of that arm to an anchor bolt on the top of the opposite arm. Direct-pull cantilevers have a very high mechanical advantage, which makes them unsuitable for use with conventional levers. If you do use conventional levers with direct-pull cantilevers, braking may be too abrupt. The excessive mechanical advantage of this combination will either cause the brake shoes to rub on the rim when they are at rest, or the brake lever will bottom out against the handlebar, depending on the cable adjustment.

Also see my article about direct-pull cantilevers

There are a few new aftermarket gadgets that permit you to use conventional brake levers with direct-pull brakes. These generally use eccentric or doubled pulleys to cause them to pull farther (but less hard) than the incoming cable pulls. V-Daptor The unit illustrated above is a World Class "V-Daptor." In this case, it has been installed on a conventional Shimano LX cantilever, thus converting a traditional center-pull cantilever into a direct-pull unit. This is a handy way to improve braking on many touring bikes and tandems, but there is not usually enough clearance to let this modification work with fat mountain-bike tires--for them, you need a purpose-built direct-pull brake.

Parallelogramm Koppelung

v-type brake Shimano's XTR and XT V-Brakes feature a special parallelogram linkage. This serves two purposes:

   It causes the brake shoes to remain at the same angle to the rim throughout the stroke, and throughout the service life of the pad.
   It causes the direction of motion of the brake shoes to be close to horizontal, rather than the usual slanted arc centered on the pivot boss. This is a major advantage for those who use very fat tires on narrow rims, because it prevents the shoe from rising up and damaging the sidewall of the tire on release, and also prevents having the brake shoes dive under the rim as they wear down.

Unfortunately, the extra pivots considerably complicate the mechanism, and this has caused maintenance problems and excessive squeal in practice.

Hebelübersetzung - Wieviel ist genug?

Generally, more mechanical advantage is better than less, but it is possible to overdo it.

There is a direct trade-off between how much force you get and how far the parts travel. Given a mechanical advantage of 8, pulling the brake lever in by 16 millimeters will only move the brake shoes 2 millimeters closer to the rim. The more mechanical advantage you have, the closer the brake shoes will be to the rim at their rest position. This is not a problem with a perfectly true wheel, but can cause the brake shoes to rub too easily on rims that have seen better days.

There is a case to be made for less than maximum mechanical advantage on the front brakes of bikes that are aimed at less experienced riders, lest they lock up the front wheel and hurt themselves. With a brake set up for maximum mechanical advantage, the shorter transverse cable has a shallower yoke angle. This may make it difficult or impossible to unhook the transverse cable for wheel removal. For some riders, it may be a worthwhile trade-off to give up some braking power for the sake of easier wheel removal.

On touring bikes with high-mechanical-advantage "æro" brake levers, excessive mechanical advantage may cause the brake to run out of lever travel, so that the lever hits against the handlebar. Shimano makes an extra-wide cable yoke for such applications, but you can achieve the same effect by lengthening the transverse cable, unless the bike has such a small frame that you run out of room.

Wide yoke

Das Potenzial der Cantilever Bremsen voll ausschöpfen

Aside from the issue of mechanical advantage, there are other ways to improve your cantilever braking.

If you reduce flex in the system, you can set the brake for more mechanical advantage without running out of lever travel. I would suggest the following:

• Cables should be as free of friction as possible, and the ends of the housing should be properly prepared so that they make a firm, solid connection with their stops. See my article on Cable Installation.
• Brake shoes for brakes with high mechanical advantage should be hard and rigid. I particularly recommend Kool-Stop Salmon brake shoes, which are among the hardest, and have a very high coefficient of friction.
  
  The shoes should be set up so that they make good firm contact with the rim. They should be slightly toed in, but not excessively. The vertical angle of the brake shoe should also be adjusted correctly so that it gets the largest possible contact area with the rim.
• A brake booster can also help considerably, particularly on the rear, where the bosses are mounted on relatively narrow seatstays, and can flex outward under hard braking.

Quelle

Dieser Artikel basiert auf dem Artikel The Geometry of Cantilever Brakes von der Website Sheldon Browns. Originalautor des Artikels ist Sheldon Brown.