Rad und Achse: einen Karren bauen

Warum das Rad Kraft spart

Schiebst du eine Kiste über den Boden, kämpfst du gegen die Gleitreibung. LEIFIphysik, das Physikportal des FWU Instituts für Film und Bild, beschreibt den Ausweg: Muss die Kiste über längere Strecken, lohnt es sich, Rollen unterzulegen, denn dann ist der Kraftaufwand deutlich geringer. Diese Reibung heißt Rollreibung. Ein Rad ist nichts anderes als eine Rolle, die du nicht ständig von hinten nach vorn tragen musst.

Schon Meyers Konversationslexikon von 1889 beschrieb das Rad so: Es wird zwischen zwei gegeneinander bewegte Körper geschaltet, um gleitende Reibung unter Kraftersparnis in eine teilweise rollende zu verwandeln. Zitiert wird das in einer Hochschulschrift zum rollenden Rad von Stefan Zima (Fachhochschule Gießen-Friedberg, heute Technische Hochschule Mittelhessen). „Teilweise“ ist dabei wichtig: Die Zugkraft an der Achse muss nach Zima den Rollwiderstand und die Reibung im Lager überwinden. Gleiten gibt es also weiterhin – aber nur noch in der Nabe, wo du es mit Buchse und Schmiermittel klein halten kannst.

Wie groß der Rollwiderstand ist, hängt nach Zima von Größe und Bauart des Rades und von den Werkstoffen von Rad und Untergrund ab. Er nennt Rollwiderstandszahlen für Luftreifen. Multipliziert mit der Gewichtskraft ergeben sie die Kraft, die du zum gleichmäßigen Weiterrollen brauchst.

Große Räder für weichen Boden

Ein Rad ist nie ganz rund, wenn es belastet wird. Nach Zima drückt es sich in den Untergrund ein, und der Boden verformt die Auflagefläche. Aus dieser Verformung leitet er ab, dass die Rollwiderstandszahl von der Radgröße abhängt: Je größer der Radius, desto kleiner der Widerstand. Die Praxis kannte das lange vor der Formel. Tiergezogene Fahrzeuge hatten umso größere Räder, je weicher der Boden war.

Wird der zulässige Bodendruck überschritten, sinkt das Rad ein, und der Rollwiderstand nimmt nach Zima stark zu. Die Abhilfe ist eine größere Auflagefläche – breite Räder, Zwillingsräder oder die Last auf mehr Räder verteilen. Auch die BAuA hält fest, dass sich Wagen auf weichem Untergrund nur mit Mühe bewegen lassen. In ihrer Leitmerkmalmethode zum Ziehen und Schieben zählen zu kleine Rollen auf weichem oder unebenem Boden ausdrücklich als ungünstige Eigenschaft, ebenso ausgeschlagene, schleifende oder schwergängige Rollen und zu geringer Luftdruck.

Für den Selbstbau folgt daraus: Nimm die größten Räder, die du bekommen und unterbringen kannst, und halte Luftreifen gut aufgepumpt. Kleine harte Rollen gehören auf den Hallenboden, nicht auf den Feldweg.

Bauformen: Schubkarre, Sackkarre, Handwagen

Die Schubkarre hat ein Rad vorn und zwei Griffe hinten. Sie ist ein einseitiger Hebel: Die Radachse ist der Drehpunkt, die Last liegt dazwischen, du hebst an den Griffen – mehr dazu im Artikel über einfache Maschinen. Einen Teil der Last trägst du also immer selbst, dazu kommt das Balancieren. Die BAuA berücksichtigt bei Karren deshalb neben dem Vortrieb auch Anhebe-, Kipp-, Balancier- und Absetzkräfte. Nach ihrer Broschüre „Ziehen und Schieben ohne Schaden“ braucht eine Schubkarre mit Sand im Garten etwa 50 Prozent der maximalen Körperkraft, ein Kinderwagen auf ebenem, festem Boden etwa 15 Prozent.

Beim zwei- oder vierrädrigen Handwagen ruht die Last dagegen auf den Rädern, du ziehst oder schiebst nur noch. Wie groß der Unterschied ist, zeigt die Leitmerkmalmethode: Sie nennt je Bauform Gesamtgewichte aus Fahrzeug und Ladung, die nicht mehr sicher bewegt werden können.

Räder beschaffen und weiterverwenden

Das Schwierigste an einem Karren ist das Rad, genauer: das Rad samt Lager. Deshalb lohnt es, fertige Räder weiterzuverwenden. Schubkarren-, Bollerwagen- und Fahrradräder bringen ihre Nabe und ihr Lager schon mit. Nach Zima übertragen Wälzlager die Kräfte über Kugeln oder Rollen, Gleitlager über den Druck im Schmiermittel – beides musst du nicht selbst herstellen, wenn du das Rad komplett übernimmst.

Fahrradräder sind groß und laufen leicht, also genau das, was auf Feldwegen zählt. Wie du Schlauch, Mantel und Luftdruck in Ordnung hältst, steht im Artikel über das Fahrrad. Achte bei gebrauchten Rädern auf dasselbe wie die BAuA: Radreifen und Radlager müssen gepflegt sein, ausgeschlagene oder schleifende Räder kosten dich jeden Meter Kraft.

Einen Handkarren aus Holz bauen

Die folgende Anleitung beschreibt einen zweirädrigen Handkarren mit einer Achse. Maße hängen von deinen Rädern und deiner Last ab, deshalb stehen hier nur Richtwerte, wo eine Quelle sie trägt. Alles andere ist ein Bauvorschlag, den du an dein Material anpasst.

• Räder zuerst: Der Rahmen richtet sich nach den Rädern, nicht umgekehrt. Beide Räder sollten gleich groß sein, möglichst groß und für weichen Boden eher breit.
• Rahmen: zwei Längsholme und mehrere Querhölzer, verschraubt oder verzapft, darauf Bretter als Ladefläche. Bau ihn so niedrig, wie die Räder es erlauben – nach der BAuA kippen Wagen mit hohem Schwerpunkt schon bei kleinen Unebenheiten.
• Achse: eine durchgehende Stahlachse oder zwei kräftige Achsschenkel, fest mit dem Rahmen verbunden. Die Räder drehen sich einzeln auf der Achse, wie nach Zima bei Handwagen üblich – so laufen sie in Kurven unterschiedlich schnell. Gegen Abrutschen sicherst du sie außen mit Scheibe und Splint.
• Lager: Hat das Rad kein eigenes Lager, futterst du die Nabenbohrung mit einer Buchse aus. Früher nahm man dafür nach Zima Holz, Bronze, Eisen oder Messing, und die Lager wurden geschmiert. Das Fett trennt Achse und Buchse – ohne es läuft das Lager trocken und verschleißt.
• Last verteilen: Lege die Achse so, dass die Ladung knapp vor ihr liegt. Dann drückt nur ein kleiner Teil auf den Griff – das folgt aus dem Hebelgesetz, ist aber keine gemessene Angabe.
• Griff oder Deichsel: Die Leitmerkmalmethode wertet eine feste Griffhöhe unter 0,9 oder über 1,2 Meter als erzwungene Körperhaltung. Plane den Griff dazwischen. Für einen Vierradwagen lenkt eine Deichsel, die mit der drehbaren Vorderachse verbunden ist.
• Wegrollsicherung: Ein Holzkeil an einer Schnur genügt. Die BAuA empfiehlt, sie beim Abstellen auf Gefälle zu nutzen.
• Probelauf: erst leer, dann mit halber, dann mit voller Last. Prüfe danach, ob Räder schleifen, Schrauben nachgeben oder das Lager warm wird.

Lasten sicher bewegen

Beim Ziehen und Schieben fehlt dir ein Gefühl für die Last. Die BAuA weist darauf hin, dass sich die nötigen Kräfte praktisch nur schwer abschätzen lassen, anders als beim Heben und Tragen. Umso wichtiger sind ihre Grundregeln: den Karren nicht überladen, langsam beschleunigen und abbremsen, vorausschauend fahren und wenn möglich schieben statt ziehen, weil du dann mehr Kraft aufbringst und den Rumpf weniger verdrehst.

Musst du einen Deichselwagen länger ziehen, rät die BAuA zu einem Zuggurt. Der Weg sollte eben, fest und möglichst gerade sein, Neigungen so gering wie möglich. Und manchmal ist es besser, zu zweit zu arbeiten – oder die Last auf zwei Fahrten zu teilen.

Das Holzrad: ein Handwerk mit langer Geschichte

Bis um 1950 gehörte der Wagner, regional auch Stellmacher genannt, nach dem Freilichtmuseum Hessenpark zu den üblichen Dorfhandwerkern. Er fertigte Räder, Schubkarren, Handwagen, Kuh- und Pferdewagen. Für die Nabe, die nicht reißen durfte, nahm er Ulme, für die Speichen abgelagerte Eiche, für die biegsamen Felgen Esche. Zum Schluss legte der Schmied den eisernen Laufreifen heiß auf; beim Abkühlen zog er die Holzteile zu einer festen Einheit zusammen.

Das Speichenrad war nach Zima eine nahezu optimale Konstruktion: Es erlaubte größere Durchmesser und senkte damit den Rollwiderstand, ließ sich aus überall vorhandenem Holz bauen und leicht reparieren. Einfacher ist das Scheibenrad aus Brettern, schwer, aber überall herzustellen. Solche Räder baute man nach Zima noch im 19. Jahrhundert, und in der Notzeit nach dem Zweiten Weltkrieg griff man auch in Europa wieder zu einfachsten Radbauarten.

Genau darin liegt der Wert dieses Wissens. Ein Karren braucht keinen Treibstoff, nur Holz, eine Achse und etwas Fett. Wer versteht, warum ein großes Rad auf weichem Boden leichter läuft und warum das Lager geschmiert sein muss, kann mit dem bauen, was da ist – und einen Transport schaffen, für den die eigenen Arme nicht reichen.

Video: Wie man ein Wagenrad macht | SWR Handwerkskunst (SWR Handwerkskunst) – Ein Wagnermeister baut ein Holzrad: Nabe aus Ulme, Speichen aus Eiche, am Ende zieht der Schmied den glühenden Eisenreifen auf. Der Auftrag im Film sind Nachbauräder für eine historische Kanone.