Die Funktion von Elektromotoren im Fahrrad: Ein umfassender Überblick

Elektrofahrräder, oft als E-Bikes oder Pedelecs bezeichnet, erfreuen sich wachsender Beliebtheit. Doch wie funktioniert eigentlich ein Elektromotor in einem Fahrrad, und welche Unterschiede gibt es?

Was ist ein E-Bike und was ein Pedelec?

Die Begriffe "E-Bike" und "Pedelec" werden oft synonym verwendet, bezeichnen jedoch unterschiedliche Arten von Fahrrädern mit Motor. Der Begriff "E-Bike" bezieht sich üblicherweise auf ein einspuriges Fahrzeug, das mit einem Elektromotor ausgestattet ist. Insbesondere versteht man darunter das Elektrofahrrad: Ein Fahrrad mit elektrischem Hilfsmotor. Teilweise wird dieses auch als Pedelec oder Speed-Pedelec (S-Pedelec, bis 45 km/h) bezeichnet.

Einen richtigen Unterschied gibt es nicht. Das Pedelec kann man eher als Teilbereich der E-Bikes sehen. Bei einem Pedelec handelt es sich um ein sogenanntes unterstützendes Elektrofahrrad. Dieses wird weder ausschließlich durch Muskelkraft, noch ausschließlich maschinell angetrieben, sondern ist eine Kombination beider Antriebsarten. Tritt der Fahrende in die Pedale, wird er vom eingebauten Motor unterstützt. Wenn man mit dem Treten aufhört, hört auch der Motor auf, man spricht hier von Fahrrädern mit elektrischer Tretunterstützung. Die Motorleistung nimmt bei Pedelecs also progressiv ab. Es gibt allerdings auch E-Bikes ohne Tretunterstützung, hier erreicht man alleine durch den Motor eine gewisse Geschwindigkeit.

E-Bike bis 25 km/h mit Tretunterstützung

Wenn man zum Fahrradhändler geht und ein "E-Bike" möchte, dann wird einem in den meisten Fällen ein Elektrofahrrad mit elektrischer Tretunterstützung bis 25 km/h angeboten. Diese Pedelecs werden unter folgenden Voraussetzungen juristisch wie Fahrräder behandelt.

• Motor mit einer maximalen Nenndauerleistung von 250 Watt.
• Mit zunehmender Geschwindigkeit wird die Tretunterstützung progressiv verringert. Progressiv bedeutet, dass die Unterstützung mit zunehmender Geschwindigkeit abnimmt.
• Es gibt auch kein Mindestalter. Wegen der Eigenarten beim Beschleunigen sollten Kinder bis 14 Jahre trotzdem nicht mit einem Pedelec fahren.
• Ein Versicherungskennzeichen braucht man nicht. Bei einem Unfall verursachte Schäden werden oftmals von der privaten Haftpflichtversicherung abgedeckt. Um sicher zu gehen, sollten Sie den Umfang des Versicherungsschutzes vorab klären. Eine private Haftpflichtversicherung ist freiwillig, aber unentbehrlich. Gerade im Fall von Personenschäden können schnell sehr hohe Kosten entstehen.
• Auch wenn keine Helmpflicht besteht, ist das Tragen eines geprüften Fahrradhelms dringend zu empfehlen, denn dieser kann vor schweren Verletzungen schützen.
• Es sind die gekennzeichneten Radwege zu benutzen. Sonstige Radwege darf man befahren.

Pedelec bis 45 km/h

Schnelle Pedelecs (S-Pedelecs) mit elektrischer Tretunterstützung bis 45 km/h sind Kraftfahrzeuge, die ein eigenes Versicherungskennzeichen benötigen. Mit diesen Zweirädern darf nur fahren, wer mindestens eine Fahrerlaubnis der Klasse AM besitzt. Außerdem darf man hiermit nur auf der Fahrbahn unterwegs sein. Radwege sind grundsätzlich tabu! Einzelne Bundesländer haben die Möglichkeit geschaffen, Radwege für S-Pedelecs unter bestimmten Voraussetzungen freizugeben. Bisher ist das in Baden-Württemberg und Nordrhein-Westfalen möglich. Beim Fahren dieser Pedelecs muss man wie beim Motorradfahren einen geeigneten Helm tragen.

E-Bike bis 25 km/h ohne Tretunterstützung

Mit diesen Bikes kann allein durch den elektrischen Motor (ohne Tretunterstützung) die Geschwindigkeit von bis zu 25 km/h erreicht werden. In der Regel handelt es sich bei diesen E-Bikes rechtlich um Mofas, bei denen ein geeigneter Helm für Krafträder Pflicht ist. Außerdem wird dafür zumindest eine Mofa-Prüfbescheinigung benötigt. Darüber hinaus braucht man ein Versicherungskennzeichen. Außerorts dürfen Radwege genutzt werden, innerorts nur, wenn dies durch das Zusatzzeichen "E-Bikes-frei" erlaubt ist.

E-Bike bis 45 km/h ohne Tretunterstützung

Diese Modelle haben ebenfalls keine Tretunterstützung und können die Geschwindigkeit von bis zu 45 km/h allein durch den Motorantrieb erreichen. Sie entsprechen einem Kleinkraftrad und man darf sie nur mit einer Fahrerlaubnis der Klasse AM fahren. Sie benötigen außerdem ein Versicherungskennzeichen. Auch hier gilt Helmpflicht.

Die Antriebskonzepte im Überblick

Der Antrieb ist das Herz des E-Bikes. Die Frage, welche Antriebsform die beste ist, kann man pauschal nicht beantworten. Es gibt in diesem Zusammenhang kein "gut" oder "schlecht". Es geht vielmehr darum, welche Anforderungen man an das Pedelec stellt. Grundsätzlich gibt es drei verschiedene Varianten:

• Vorderrad-Antrieb
• Mittelmotor
• Hinterrad-Antrieb

Die Antriebskonzepte unterscheiden sich in erster Linie in der Anbringung des Motors: Im Vorderrad, im Hinterrad oder im Bereich des Tretlagers hinter der Kurbel. Jede der Antriebspositionen hat gravierende Auswirkungen auf das Fahrverhalten des Pedelecs. Soll das E-Bike besonders stabil im Laufverhalten sein oder bevorzugen Sie ein besonders wendiges Modell? Der Antrieb kann Ihnen, je nach Position, das Gefühl geben, gezogen oder geschoben zu werden.

Funktionsweise

Unabhängig von der Art des Antriebs im Pedelec kommt es vor allem darauf an, wie die Steuerung des Motors geregelt ist. Der Sensor registriert, dass Sie in die Pedale treten und gibt die Information an den Controller weiter. Der Controller ist die eigentliche Steuereinheit. Er reguliert den Akku und veranlasst, dass dieser Strom an den Motor schickt. Nachdem der Strom fließt, setzt die Trittunterstützung des Pedelecs mehr oder weniger direkt ein. Günstige Pedelecs zum Beispiel "registrieren" nur, ob getreten wird oder nicht. Es erfolgt also keine gleichmäßige Trittunterstützung, sondern eher ein "ruckartiger Schub". Schlauere Sensoren messen, welche Kraft vom Fahrer selbst auf die Pedale gebracht wird. So kann die Unterstützung gleichmäßig und an die individuelle Kraft des Fahrers angepasst, erbracht werden. Dies wird dann eher als sanfter Schub wahrgenommen und nicht als ungesteuerter "Turbo-Anschub". Je genauer und schneller die Sensorik des E-Bikes auf das Treten reagiert, desto weniger Verzögerung hat der Antrieb und umso angenehmer und harmonischer fährt sich ein Pedelec. Die Qualität und Funktionsweise dieser Steuerung lässt sich am besten durch eine Probefahrt herausfinden. Sie sollten die Gelegenheit nutzen und gleich mehrere Antriebstypen testen. So können Sie die Unterschiede direkt spüren und die für Sie passende Variante finden.

Der Mittelmotor

Beim Mittelmotor befindet sich der Antrieb direkt hinter dem Tretlager. Durch die optimale Gewichtsverteilung liegen Antriebsblock und zumeist auch der Akku nahe am tiefliegenden Schwerpunkt. So werden die Fahreigenschaften des E-Bikes nicht beeinträchtigt und führen zu einem sehr angenehmen Fahrgefühl. Diese Antriebsform entspricht am ehesten dem "normalen" und natürlichen Treten. Der Mittelmotor ist die aufwendigste Variante. Da der Antrieb direkt im Rahmen verbaut ist, liegen hier die Produktionskosten höher als bei anderen Modellen und ein Nachrüsten normaler Fahrräder ist kaum möglich. Mittelmotoren werden häufig nur im mittleren bis hohem Preissegment angeboten.

Vorteile des Mittelmotors

• Die Kraft wird direkt auf die Kette übertragen
• Sehr kompakte Bauweise des Tretlagermotors möglich
• Stabiler Geradeauslauf bedingt durch tiefliegenden Schwerpunkt und langen Radstand gewährleistet
• Kompakte Verkabelung (zumeist nur ein Kabelstrang) und daraus resultierend, eine geringe Störanfälligkeit
• Alle Schaltungstypen (Ketten- und Nabenschaltung) können verbaut werden
• Wechsel von Vorder- und Hinterrad problemlos möglich
• Lastverteilung und Schwerpunkt sind (abhängig von der Akkuposition) ideal
• Natürlichstes Fahrgefühl der drei Motorvarianten bedingt durch die direkte Kraftübertragung
• Alle "normalen" Fahrradkomponenten (abgesehen von denen am Tretlager) können verwendet werden
• Im Vorderrad könnte prinzipiell noch ein Nabendynamo eingebaut werden.

Nachteile des Mittelmotors

• Höherer Preis für den "speziellen" Rahmen, da keine Standardrahmen verbaut werden können
• Nur wenige Anbieter mit Rücktrittbremse (Panasonic, Derby,...)
• Höhere Belastung des Kettenstrangs und Ritzel bedingt durch zusätzlichen Zug können zu höherem Kettenverschleiß führen
• Schaltungsprobleme bei der Kombination von Mittelmotor und Nabenschaltung können auftreten
• Nachrüstung normaler Fahrräder ist nahezu unmöglich
• Vorne ist nur ein Kettenblatt möglich
• Rekuperation ist nicht möglich (ergo weniger E-Bike Reichweite)

Der Hinterradantrieb

Bei dieser Antriebsform handelt es sich um einen Nabenmotor, der in die Hinterradnabe integriert ist. Beim Hinterradantrieb ist der größte Teil des Gewichts auf das Hinterrad verlagert. Dies hat einen guten Halt zur Folge, was eine sportliche Fahrweise zulässt und gerade am Berg und bei Nässe von Vorteil ist. Der Hinterradausbau ist durch die benötigte Verkabelung für die Steuerung und den Motor um einiges aufwendiger als bei den anderen Varianten und es werden eigentlich nur Pedelecs mit Kettenschaltung oder Nabenschaltung mit drei Gängen angeboten.

Vorteile des Hinterradantriebs

• Höheres Gewicht auf der Hinterachse als auf der Vorderachse und dadurch bedingte Traktionsvorteile
• Motorwirkung geht direkt aufs Rad
• kompakte Bauweise und hoher Wirkungsgrad
• Guter Anpressdruck begünstigt eine sportliche Fahrweise
• Schwerpunkt ist vorteilhafter als bei einem Vorderradantrieb
• Optisch unauffällig im Vergleich zum Frontnabenmotor
• Leises Fahrverhalten
• Zuverlässige Antriebsform
• Nabendynamo ist möglich
• wenig Belastung der Kettenkomponenten
• Ausbau des Vorderrads sehr unproblematisch
• Rekuperation (Energierückgewinnung) möglich
• Einfacher Austausch des Motors bei Defekt, Motorwechsel möglich

Nachteile des Hinterradantriebs

• Ausbau des Hinterrads kann aufwendig sein
• Steuerung und Verkabelung ist oft umständlich
• Störanfälligkeit bedingt durch Kabelverlegung (Regen, Spritzwasser)
• Einschränkung der Schaltungsvariante (zumeist nur Kettenschaltungen)
• eine Rücktrittbremse nur bedingt möglich
• Gewicht ist sehr "rücklastig" wenn auch der Akku am hinteren Teil des Fahrrades montiert ist, was sich auf das Fahrverhalten auswirken kann.

Der Vorderradantrieb

Beim Vorderradantrieb ist der Elektromotor in der Nabe des Vorderrads untergebracht. Technisch gesehen ist der Vorderradantrieb am leichtesten einzubauen und ist mit jeder Schaltung und Rücktritt kompatibel. Daher sind günstige Pedelecs häufig mit einem Frontnabenmotor ausgerüstet. Zu beachten ist, dass die Vorderradbeschleunigung als etwas gewöhnungsbedürftig gilt.

Vorteile des Vorderradantriebs:

• Kostengünstigste Variante
• Umrüsten "normaler" Fahrräder ist fast immer möglich
• Leichter Ausbau der Räder
• Jede Art von Schaltung kann verwendet werden
• Freie Wahl der Hinterradbremse - Rücktrittbremse möglich

Nachteile des Vorderradantriebs:

• Optisch sichtbare "dicke" Vorderradnabe
• Längere Kabelwege sind nötig und können die Störanfälligkeit erhöhen
• Nabenmotoren belasten den Fahrradrahmen und können zu Rahmenbrüchen führen
• Stärkere Motoren können die Lenkung beeinflussen
• Im Vergleich zum Hinterrad niedrigerer Anpressdruck - durchrutschen eher möglich
• Höheres Gewicht am Vorderrad - das Lenken wird u.U. erschwert
• Fahrverhalten ist gewöhnungsbedürftig, da das Vorderrad eher "zieht". Der Fahrer ist von einem "normalen" Fahrrad gewöhnt, dass der "Schub" von hinten kommt.

Getriebemotor vs. Direktläufer

Es gibt zwei Haupttypen von Motoren: Getriebemotoren und Direktläufer. Beide haben ihre Vor- und Nachteile.

Getriebemotor

Aufbau: Im Gegensatz zu einem Direktläufer dreht sich der Motor im Laufrad nicht vollständig mit, sondern nur das Gehäuse. Im Inneren verfügt der Motor über ein Getriebe, meist ein Planetengetriebe, das durch den Motor im Gehäuse angetrieben wird. Dabei dreht der Motor im Inneren schneller als das Gehäuse. Das Getriebe passt die hohe Drehzahl des Motors an die niedrigere Drehzahl des Rades an. Das Drehmoment kann deswegen schon bei wesentlich kleineren Gehäusen einen hohen Wert erreichen. Bei gleichen Drehmomenten ist ein Getriebemotor daher stets kleiner als ein Direktläufer.

Hallsensoren: Einige Getriebemotoren brauchen zum Ansteuern Hallsensoren, um die Position des Motors zu erkennen und ihn in Bewegung zu setzen. Der Vorteil der Sensoren ist, dass ein höheres Anfahrmoment erreicht wird, da der Motor immer sofort kraftvoll anlaufen kann.

Unterschiede zum Direktläufer: So gut wie alle Getriebemotoren besitzen einen Freilauf, sodass Sie beim Fahren ohne elektrische Unterstützung keinen Bremseffekt aufweisen. Die Fähigkeit zur Rekuperation geht dabei jedoch verloren. Durch den komplizierteren Aufbau benötigt der Getriebemotor mehr Teile als der Direktläufer, wodurch er anfälliger für Ausfälle sein kann. Abhängig von der Qualität der Herstellung kann ein Getriebemotor im Betrieb lauter sein als ein Direktläufermotor.

Direktläufer

Aufbau: Der Direktläufer wird meistens als Außenläufer aufgebaut. Dabei befinden sich die Magnete direkt in der Innenseite des Gehäuses. Beim Fahren dreht sich das Gehäuse als Bestandteil des Laufrades komplett mit. Damit sie ein höheres Drehmoment erreichen können, muss das Gehäuse des Motors dementsprechend größer gebaut werden. So ist es nicht verwunderlich, dass Direktläufer grundsätzlich um einiges schwerer sind als die kleinen und leichten Getriebemotoren. Es gibt Hersteller, wie BionX, die versuchen, die Leistung, die Größe und das Gewicht miteinander zu vereinbaren und große, aber leichte Motoren produzieren. Hierbei muss jedoch bedacht werden, dass die Verbesserung eines Faktors mit der Einschränkung eines anderen einhergeht.

Hallsensoren: Die getriebelosen Motoren können meist mit oder ohne Hallsensoren betrieben werden. Ohne Hallsensoren sinkt das Ausfallrisiko, da sich die Anzahl der verwendeten Teile reduziert. Mit Hallsensoren erhöht sich das Anfahrmoment, da der Controller stets genaue Informationen zur Motor- und Magnetlage hat.

Unterschiede zum Getriebemotor: Dass der Direktläufer sich immer komplett mit dreht, hat Vorteile und Nachteile. Es tritt ein leichtes Bremsmoment auf, wenn beim Fahren die elektrische Unterstützung ausgeschaltet ist. Die Ausprägung des Bremsmoments hängt stark vom Motormodell ab, ist aber stets vorhanden. Der Vorteil von Direktläufern liegt in der Rekuperation. Beim Bremsen oder beim bergab Fahren kann Energie in den Akku rückgespeist werden, wenn der Controller und der Akku dafür eingerichtet sind. So spart der Direktläufer beim Fahren Energie ein und die mechanische Bremse wird geschont.

Mittelmotor und Nabenmotor im Vergleich

Der Mittelmotor dominiert den E-Bike-Markt. Das kann man in jedem Shop und auf Tour deutlich sehen. Das Aus für die Konkurrenten? Nein. Insbesondere der Nabenmotor bringt sich derzeit wieder kraftvoll ins Spiel zurück.

An den Anblick eines E-Bikes mit Mittelmotor hat man sich längst gewöhnt: Der Antrieb sitzt im unteren Zentrum des Rahmens im Tretlager. Und diese Position bewirkt unmittelbar einen seiner Vorteile, denn das Gewicht sorgt für einen niedrigen Schwerpunkt - was der Fahrstabilität eines E-Bikes sehr zu Gute kommt. Dazu bei trägt die Position des ebenfalls schweren Akkus in oder am Unterrohr. Die Kraft des Motors wird im Tretlager eingespeist und über die Kette ans Hinterrad übertragen. Dadurch lassen sich alle Schaltungstypen verwenden, und auch der Service des Bikes (z. B. Radausbau) funktioniert im Prinzip wie bei einem Fahrrad ohne E-Antrieb. Die hohe Akzeptanz des Mittelmotors sorgte für eine rasante Weiterentwicklung.

Der Heck-Nabenmotor sitzt in der Nabe, also in der Mitte des hinteren Laufrads. Er gibt seine Kraft unmittelbar ans Antriebsrad ab. Bereits beim Anfahren spürt man, warum Rennfahrer Autos mit Heckantrieb bevorzugen. Man unterscheidet zwei Motortypen, die am ehesten am Nabendurchmesser zu identifizieren sind: Direktantrieb (großer Durchmesser) und Antrieb über ein Planetengetriebe (kleiner Durchmesser). Spürbarer Unterschied (wenn auch minimal): Während sich ein Direktantrieb im Off-Zustand, sowie oberhalb von 25 km/h zu 100% vom Antrieb entkoppelt, bleibt bei einem Getriebe stets ein minimaler Tretwiderstand bestehen. Dafür lässt sich ein Mahle-Antrieb so unauffällig integrieren, dass man ein E-Bike erst beim zweiten Blick als ein solches erkennt. Das ist jedoch nicht der einzige Grund, warum Heckantriebe vor allem bei sportlichen (Straßen)-E-Bikern so beliebt sind. Nabenmotoren gleiten nahezu lautlos durch die Landschaft. Außerdem eröffnet das System beim Thema Leichtbau neue Möglichkeiten. Bei Direktantrieb-Motoren ist die so genannte Rekuperation ein weiterer interessanter Aspekt. Dieser Motor kann umgekehrt wie ein Dynamo funktionieren. Auf Abfahrten schlägt man damit zwei Fliegen mit einer Klappe: Im Rekuperations-Status bremst der Motor das E-Bike ab und es wird Energie in den Akku zurück gespeist. Sprich, die Reichweite erhöht sich.

Vor- und Nachteile der Systeme im Überblick

Die Nachteile des Nabenmotors sollen hier jedoch nicht verschwiegen werden. Manche Systeme sorgen für ungünstige Gewichtsverteilung mit Schwerpunkt am Hinterrad. Des weiteren ist der Einsatz von Nabenschaltungen ausgeschlossen. Einzige Alternative zur Kettenschaltung sind (teure) Schaltgetriebe wie das im Rahmen integrierte Pinion-System. An steilen Anstiegen kann ein Nabenmotor an seine Grenzen kommen. Besonders ältere Systeme können die Wärme nicht optimal ableiten und haben mit Überhitzung zu kämpfen. Gegenüber eines Mittelmotors lässt die Leistung dann spürbar nach. Das ist auch einer der Hauptgründe, warum sich Heckmotoren am Mountainbike nicht durchgesetzt haben. Weiterer Wermutstropfen: Bei einer Reifenpanne ist der Ausbau des Hinterrades problematisch und für die meisten Hobbyradler kaum zu bewerkstelligen. Als Notlösung gibt es im Handel geteilte Schläuche, die sich im eingebauten Zustand des Hinterrades einziehen lassen.

Fazit: Den Platzhirsch Mittelmotor wird der Nabenmotor sicherlich nicht verdrängen. Schon gar nicht in der Kategorie Mountainbike. Aber auf seinem Spezialgebiet Straße und Gravel ist der Hinterrad-Nabenmotor eine elegante und sportliche Alternative. Das gilt auch für manche Trekking E-Bikes. Das liegt vor allem daran, dass die Entwickler in den letzten Jahren einige Schwachstellen der Naben-Systeme ausgemerzt haben. Wer einmal ein E-Bike mit modernem Hinterrad-Antrieb gefahren ist, wird das lautlose, fast schwerelose Gleitgefühl schnell zu schätzen wissen. Auf der anderen Seite werden auch die Mittelmotoren immer leichter und kompakter, so dass sich auch hier in Zukunft neue Leichtbau-Optionen eröffnen werden.

EBS Leistungssteuerung

Durch die EBS Leistungssteuerung können Sie das Fahrverhalten Ihres Elektrorades besonders gut an Ihre Wünsche anpassen. Mithilfe dieser Technologie können Sie die Stärke der Motorunterstützung selber regulieren. Das erlaubt Ihnen eine feine und individuelle Einstellung der Leistungsstärke. Dadurch können Sie jederzeit wählen, ob Sie sanft oder kräftig anfahren möchten.

Anstatt immer auf maximaler Leistung zu fahren, kann über die EBS Leistungssteuerung die Abgabe der Motorleistung geregelt werden: je höher die Stufe, desto größer die Motorunterstützung. Dadurch ist der Übergang zwischen den einzelnen Stufen deutlich flüssiger und das Fahrverhalten natürlicher. Die EBS Leistungssteuerung wirkt sich auch auf die Reichweite des Pedelecs aus. Da der Motor in niedrigeren Stufen energiesparender fährt, wird der Akku geschont und hält länger.

Vorteile der EBS Leistungssteuerung auf einen Blick:

Die angegebene Werte gelten für Pedelecs.

Tretlager

Der Großteil der Fahrradtretlager lässt sich in einen von drei Typen einteilen: Vierkant, Hollowtech II und Ocatalink. Für jeden dieser Tretlagertypen haben wir eine passende Lösung entwickelt, damit Sie Ihr Rad schnell und problemlos umbauen können.

Schritt 1: Tretlager erkennen

Anhand der folgenden Tabelle und den Bildern können Sie erkennen, welches Tretlager in Ihrem Fahrrad verbaut ist. Diese Information brauchen Sie für die Auswahl des korrekten Tretsensors (PAS).

• 4-Kant Tretlager
• Hollowtech II Tretlager
• Octalink Tretlager

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