BikeSafe Federgabel als Teil des Sicherheitssystems von E-Bikes


Projektarbeit, 2015
77 Seiten, Note: 2

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Formelverzeichnis
Formelzeichen mit lateinischen Buchstaben
Formelzeichen mit griechischen Buchstaben
Indizes

Kurzzusammenfassung

1 Einleitung
1.1 Projekt BikeSafe
1.2 Aufgabenstellung und Zielsetzung

2 Grundlagen Fahrradfederungen
2.1 Wirkende Kräfte auf die Vorderradfedergabel
2.2 Vorderradfederungen
2.3 Bewegung in Federrichtung
2.3.1 Federung
2.3.2 Dämpfung
2.4 Bewegung in Fahrtrichtung
2.4.1 Überschlägige Berechnung der Durchbiegung und des Nachlaufs

3 Messungen
3.1 Messung der Bewegung in Federrichtung
3.1.1 Messung Federung
3.1.2 Messung Dämpfung
3.2 Messung der Bewegung in Fahrtrichtung

4 Auswertung der Messungen
4.1 Auswertung der Messung der Federung
4.2 Auswertung der Messung der Dämpfung
4.2.1 Zugstufendämpfung
4.2.2 Druckstufendämpfung
4.3 Auswertung der Messung in x-Richtung der Federgabel

5 Marktanalyse E-Bike Federgabeln
5.1 Trekkingrad, MTB und Cityrad Gabeln
5.2 Gruppe Trekkingrad
5.3 Gruppe Mountainbike

6 Zusammenfassung und Ausblick

Literatur- und Quellenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Diagrammverzeichnis

Anlage
A: Federkennwerte
B: Dämpferkennwerte
C: Herstellergenutzte Federgabeln
D: Federgabel Typen sortiert nach Gewicht
E: Federgabeln Trekkingrad sortiert nach Gewicht
F: Federgabeln MTB sortiert nach Gewicht
G: Federgabeln Cityrad sortiert nach Gewicht

Formelverzeichnis

Formelzeichen mit lateinischen Buchstaben

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Kurzzusammenfassung

Die vorliegende interdisziplinäre Projektarbeit im Fachbereich Maschinenbau an der Hochschule Pforzheim beschäftigt sich mit dem Thema der systematischen Erfassung von Parametern der Vorderradgabel auf die dynamischen Vorgänge beim Radblockieren und Überschlag.

Es wird auf die Grundlagen der Vorderradfederungen eingegangen und im speziellen auf die axiale und radiale Bewegung der Federgabel beschrieben. Die axiale Bewegung wird durch die die Federungs- und Dämpfungseinheit beschreiben. Die radiale Bewegung wird als Durchbiegung der Stand- und Tauchrohre, durch die bei einer Bremsung auftretenden Kraft verursacht.

Nach der Herleitung wie die Bewegungen in Feder- und Dämpferrichtung sowie in Fahrtrichtung zu berechnen ist, ist die im Projekt „BikeSafe“ genutzte Federgabel von der „Magura GmbH & Co. KG“ vermessen und ausgewertet worden. Die berechneten Werte sind annähernd gleich wie die gemessenen Werte und stellen eine gute Grundlage für weitere Untersuchungen dar.

Eine Marktanalyse der in Europa genutzten Federgabeln zeigen, dass die im Projekt „BikeSafe“ eingesetzte Federgabel nicht dem Durchschnitt der Federgabeln ent- spricht, die bei E-Bikes in Europa eingesetzt werden. Die als speziell für E-Bikes aus- geschriebenen Federgabeln weisen andere Spezifikationen auf als „normale“ Feder- gabeln.

1 Einleitung

Die in der Vorhabenbeschreibung des Projektes „BikeSafe“ als „neue Formen der Mobilität“ beschriebene Thematik wird als ressourcenschonend und energieeffizient bezeichnet. Diese Formen sollen ausreichend sicher gemacht und deren Akzeptanz langfristig gesichert werden. Beispielsweise stellen E-Bikes eine solche neue Form dar. Das Innovationspotential, E-Bikes sicherer zu machen, welche mit höherer Durchschnittsgeschwindigkeit unterwegs sind als Fahrräder, ist eine Marktchance für Hersteller von Sicherheitssystemen für E-Bikes. [24; S. 2f]

Aus diesem Grund befasst sich das Projekt „BikeSafe“, welches vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird, in Kooperation mit den Firmen Robert Bosch GmbH, Magura GmbH & Co. KG und IPG Automotive GmbH mit einem fahrdynamisches Sicherheitssystem für E-Bikes.

1.1 Projekt BikeSafe

Das Projekt „BikeSafe“ arbeitet ein fahrdynamisches Sicherheitssystem für E-Bikes aus, welches in kritischen Situationen „Radblockieren“ und „Überschlag“, für die Sicherheit des Fahrers sorgen soll. Ein solches Sicherheitssystem, wie es für das Motorrad das ABS darstellt, wird bisher aus technischen und ökonomischen Gründen noch nicht für E-Bikes angeboten. [24; S. 3]

1.2 Aufgabenstellung und Zielsetzung

Die vorliegende Interdisziplinäre Projektarbeit im Bachelorstudiengang Maschinenbau Produktentwicklung beinhaltet Teile des Arbeitspaketes „Parameteranalyse E- Bike“. Es zielt darauf ab, „typische Werte als auch die Bandbreite über der Typenvielfalt systematisch“ zu erfassen. [24; S. 14]

Es wird die Federgabel, welche einen wichtigen Einfluss auf die Fahrdynamik hat, untersucht.

Im Kapitel 2 sind die Grundlagen der Fahrradfederungen beschrieben. Es wird auf die auf die Federgabel wirkenden Kräfte eingegangen sowie der grundsätzliche Auf- bau einer Federgabel erklärt. Es werden die Federungs- und Dämpfungsarten be- schreiben und geometrische Beziehungen bei der Einfederung ausgerechnet. Hier- durch kann die Durchbiegung und der Nachlauf im eingefederten und ausgefederten Zustand berechnet werden.

Das Kapitel 3 beschreibt das Vorgehen der Vermessungen der Federgabel, die expe- rimentell von der Firma „Magura GmbH & Co. KG“ ermittelt worden sind. Es wird hier auf die Bewegung der Federgabel in Federrichtung und in Fahrtrichtung einge- gangen.

Kapitel 4 wertet die Messungen der Federgabel aus und gibt einen Überblick über die Werte der Federung in Fahrt- bzw. Federrichtung. Es werden Kennwerte der genutzten Luftfederung sowie der Dämpfung beschrieben.

Das Kapitel 5 enthält eine Marktanalyse um die untersuchte Federgabel am Markt einzuordnen und zu sehen, welche anderen Modelle wie stark im Bezug auf Federweg und Masse streuen.

2 Grundlagen Fahrradfederungen

Unterschieden wird bei einem Fahrrad zwischen Hinterradfederung und Vorderrad- federung. Der Versuchsträger im Projekt „BikeSafe“ besitzt nur eine Vorderradfede- rung. Aus diesem Grund wird im gesamten Text nur die Vorderradfederung beachtet.

Bei der Bremsung kann sich der Oberkörper des Menschens wegen der Trägheits- kraft nach vorne bewegen. Auch wenn der Oberkörper starr bleibt, wird die Vorder- radfedergabel dann zusammengedrückt. Das Hinterrad wird dabei entlastet. Auf das Vorderrad wirkt somit eine größere Kraft. Wegen der Vorderradfedergabel wird der Schwerpunkt des Systems „Fahrrad und Fahrer“ nach vorne unten verlagert. Diese dynamische Radlastverlagerung ist die Ursache des Bremsnickens, kann jedoch auch ohne Bremsnicken auftreten.

Das Beispiel in Abbildung 1 zeigt ein Fahrrad im Zustand des Bremsnickens durch Einfedern um den Federweg der Federgabel. Dadurch folgt die Verlagerung des uneingefederten Schwerpunktes 0 zum eingefederten Schwerpunkt sowie eine Verkürzung des Radstandes und des Nachlaufes.

Das Massenträgheitsmoment gibt den Widerstand des Systems „Fahrrad und Fahrer“ gegenüber der Änderung seiner Rotationsbewegung um einen Drehpunkt an.

Der Drehpunkt ist bei nicht blockiertem Rad der Drehpunkt der Vorderachse, bei blockiertem Rad der Radaufstandspunkt. Aufgrund des veränderten Hebelarmes zur Drehachse infolge der Einfederung werden das Drehmoment und somit auch das Massenträgheitsmoment kleiner.

Um den Überschlag durch Vorderradblockieren zu vermeiden, muss die Vorderradfederung besonders beachtet werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 - Veränderung Rahmengeometrie und Schwerpunktlage

2.1 Wirkende Kräfte auf die Vorderradfedergabel

Ziel dieses Kapitels ist es, die Kraft zu berechnen, die das Federungs- und Dämpfungssystem aufnehmen müssen. Diese lässt sich in = + unterteilen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 - Zeichnung der Federgabel, Feder- und Dämpfungskraft

Der Anteil der Gewichtskraft des Systems „Fahrrad und Fahrer“, die auf die Federgabel wirken, ist abhängig von der Sitzposition und dem Typ des Fahrrads.

Die Sitzpositionen können in mehrere Arten untergliedert werden. Verallgemeinert und in vier Gruppen eingeteilt gilt dann für Trekkingräder die Reiseradhaltung, für Mountainbikes sowie Rennräder eine sportliche Haltung und für Cityräder sowie Hollandräder eine aufrechte Haltung, wobei diese sich in der Belastung der einzelnen Kontaktpunkte Lenker, Sattel und Pedale unterscheiden. Die verschiedenen Sitzpositionen verdeutlicht Abbildung 3.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 - Sitzpositionen beim Fahrrad[14]

Die am Schwerpunkt wirkende Verzögerungskraft [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten], mit der Schwerpunkthöhe [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten], sorgt für eine dynamische Belastung des Vorderrades und eine Entlastung des Hinterrades. Um an die Grenze zum Überschlag zu kommen, ist das hintere Rad unbelastet und es wird nur noch das Vordere belastet. Es kommt bei einem Fahrrad mit Vorderradfederung zum oben beschriebenen Bremsnicken [8; S. 59f]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4 - Wirkende Kräfte am gebremsten Fahrrad

Aus der Bedingung „Summe aller Kräfte und Momente gleich Null“ ergibt sich, ohne Berücksichtigung der Kraft , für die Vertikalkraft , am Vorderrad somit:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Aus der Gleichung (2-02b) folgt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Eingesetzt in (2-02c)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

folgt die vertikale Kraft, die am Aufstandspunkt des Vorderrades angreift [8; S. 59f]:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5 - FKB Vorderrad mit wirkenden Kräften

Aus der Abbildung 4 - Wirkende Kräfte am gebremsten Fahrrad Abbildung 4 folgt für die Kraft , die das Federungs- und Dämpfungssystem bei der Bremsung bei Entlastung des Hinterrades aufnehmen muss:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Kraft , kann über die Reibschlusskennlinie errechnet werden. Siehe hierfür auch Abbildung 15.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In Kapitel 2.4„Bewegung in Fahrtrichtung“ folgt eine weitere Erklärung.

2.2 Vorderradfederungen

Die Vorderradfedergabel umfasst mindestens ein Standrohr (1), ein damit zusam- menwirkendes Tauchrohr (2), einen Radaufnahmeraum (3), sowie ein Federungs- (4) und Dämpfungssystem (5). Das Dämpfungssystem hat einen beweglichen Kol- ben, der an einer Platte befestigt ist, die eine erste und eine zweite Dämpfungskam- mer voneinander trennt. Auf dem oberen Teil des Standrohres ist die Steuereinheit, besser bekannt als Verbindungsteil (6) und Gabelschaftrohr (7), befestigt. Am Gabel- schaftrohr ist am oberen Ende der Lenkervorbau und damit der Lenker, sowie in der Mitte der Fahrradrahmen, verbunden und führt durch eine Drehbewegung zum Lenken des Fahrrades.

Da im Projekt „BikeSafe“ eine Teleskopgabel mit zwei parallel angeordneten Standbzw. auch Tauchrohren angebracht ist, wird im weiteren Text immer der Plural angewendet. Dementsprechend bewegen sich beide Standrohre (1) in das jeweilige Tauchrohr (2) ein. Diese sind, um die Steifigkeit zu erhöhen, mit einer Brücke (8) verbunden. [9; Abs. 0001]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6 - Zeichnung einer Federgabel

2.3 Bewegung in Federrichtung

Grundsätzlich kann sich die Federgabel bei einer Bremsung in den beiden einge- zeichneten Koordinatensystemen, entgegen - und in ′-Richtung, bewegen. In die- sem Kapitel wird jedoch nur die Bewegung in Federrichtung, also in ‘-Richtung un- tersucht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7 - Geometrie der Federgabel

Für die Lage der Federgabel am Fahrrad, wird ein neues Koordinatensystem eingeführt. Das für das gesamte Fahrrad geltende Koordinatensystem ist in rot eingezeichnet. Für die Federgabel gilt das grüne Koordinatensystem. Folgende trigonometrische Beziehungen sind vorhanden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der als bezeichnete Winkel heißt Steuerrohrwinkel. Dieser beeinflusst den Nach- lauf eines Fahrrades: Je steiler der Steuerrohrwinkel, desto geringer der in gelb ein- gezeichnete, Nachlauf und desto richtungsunstabiler und wendiger das Fahrrad. Beim Einfedern verändert sich dieser Winkel. Der Nachlauf wird kleiner und das Rad verliert an Stabilität. Der Steuerrohrwinkel ist in der Praxis mit ungefähr = 73° angegeben. Dieser Winkel wird in den Beispielrechnungen im Kapitel 2.4.1 „Überschlägige Berechnung der Durchbiegung und des Nachlaufs“ als ungefährer Wert genommen. [10; Kap. 6.1.6]

2.3.1 Federung

Beim Bremsvorgang bewegt sich der obere Teil, das Standrohr in das Tauchrohr, sowie der Gabelkopf, wegen der Kraft des Fahrrads und des Fahrers nach unten. Der untere Teil, das Tauchrohr und der Radträger, mit der Feder bleibt in Ruhe. Über Einstellungen an der Federung kann die Vorspannung, somit das Federungsansprechverhalten, geändert werden. An Stahlfedern wird die Federlänge verändert, bei Gasfedern wird der Kolben weiter in den Zylinder eingedrückt und der Druck innerhalb des Zylinders ändert sich.

Bei Federgabeln werden Stahl- sowie Gasfedern eingesetzt. Beide werden im nachfolgenden Abschnitt weiter erläutert. Speziell wird auf die Gasfederung eingegangen, da diese im Projekt „BikeSafe“ verwendet wird.

Stahlfeder

Die Stahlfeder, auch Schraubenfeder genannt, wird auf Druck beansprucht und nach dem Hook‘schen Gesetz unter der Krafteinwirkung verformt. Der Federkraftanteil

wird dabei als [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] berechnet, wobei die Federkonstante und den zurückgelegten Weg darstellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die hierbei als potentielle Energie in diesem System gespeicherte Energie wird entgegen der einwirkenden Richtung als Bewegungsenergie bei der Entlastung ver- lustfrei wieder abgegeben. Die Anordnung der Federn kann in Reihe, also hinterei- nander, oder parallel in jedem Rohr erfolgen. Diese besitzen entweder unterschiedli- che Härten oder verschiedene Windungssteigungen um ein Durchdrücken zu ver- hindern. Meist ist unterhalb der Federung noch ein Elastomer als Endlagendämp- fung angebracht, um einen harten Aufschlag zu reduzieren. Siehe hierzu die Abbil- dung 8, dessen Federeinheit von unten aus der Federgabel gebaut worden ist. Fede- rungen können parallel, innerhalb eines Tauchrohres, oder in Reihe, innerhalb bei- der Tauchrohre, angeordnet werden. [16]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8 - Stahlfederung mit Elastomer[17]

Für parallele Federungen berechnet sich die Federkonstante als Summe der einzelnen Federkonstanten:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bei Reihenfederungen wird die Federkonstante im Nenner eines Bruches berechnet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die daraus resultierende Federkennlinie ändert sich ab dem Punkt, wenn die Federung auf Block ist und das Elastomer angesprochen wird. Daraus folgt dann eine progressive Federkennlinie. Siehe hierzu auch Abbildung 19.

Gasfeder

Die im Projekt „BikeSafe“ verwendete Federgabel ist eine Luftfedergabel. Diese nutzt die Kompressibilität eines Gases in einem begrenzten Raum. Die Federung erfolgt mittels eines Zylinders, in welchem Druckluft gespeichert ist und worin ein Kolben fährt. Dies wird als Gasfederung, nachfolgend verallgemeinert als „Luftfeder“ be- zeichnet. Optional kann bei einer Luftfederung die Härte mit Hilfe einer Pumpe ma- nuell verstellt werden.

Eine Gasfederung besteht grundsätzlich aus folgenden Teilen: Einem zylindrischen Gehäuse (1), einem darin beweglichen Kolben (2) und einer daran befestigten Kol- benstange (3). Der bewegliche Kolben wird mit Hilfe von Dichtringen (4) vom Zylin- der abgedichtet, sodass ein geschlossener Raum (5) innerhalb des Zylinders besteht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9 - Gasdruckfeder

Die Federkonstante einer Gasfederung kann folgend berechnet werden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Wobei die Änderung der Federkraft über den Federweg durch die konstruktiven Größen „Kolbenkontur“ und „Volumen“ bestimmt wird. Mit dem Durchmesser der Kolbenkontur kann die „wirksame Fläche “ berechnet werden. Bei steigendem Druck nimmt die Kraft wegen der Fläche zu. Die Kraft ist folgendermaßen definiert:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bei einer Luftfeder verändert sich das Hubvolumen unter Krafteinwirkung über den zurückgelegten Weg. Durch die Verkleinerung des Hubvolumens beim Einfedern steigt der Druck gemäß der thermischen Zustandsgleichung an. Als Konstanten wer- den hierbei die Masse der Luft bei einem definierten Volumen, die Temperatur und die molare Gaskonstante angesehen. Als Variable wird die Höhe [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] des Zylin- ders definiert, welche multipliziert mit der Kolbenfläche das Hubvolumen und so- mit den Druck verändert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Aus der Gleichung (2-11) und der Gleichung (2-12) lässt sich draus die Kraft be- rechnen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Aus der Höhe [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten], die das Hubvolumen beim Einfedern verkleinert, kann der Federweg f berechnet werden, welcher die Differenz des Ausgangszustandes [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]0 mit der aktuellen Höhe [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]1 ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Federweg wird somit größer, die veränderliche Höhe [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] nimmt dagegen ab.

Für die Federkonstante ergibt dies eine Nicht-Linearität, hervorgerufen durch die zweite Potenz des Nenners. Somit wird daraus eine Federcharakteristik .

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.3.2 Dämpfung

Das Dämpfungssystem wird parallel oder in Reihe zum Federungselement innerhalb des Tauchrohres eingebaut und hindert das System am Aufschwingen. Die Bewegung wird rasch gegen einen Minimumwert gedämpft. Es handelt sich somit um einen so genannten Schwingungsdämpfer. Die Bewegung der Dämpfung kann in Druck- und Zugstufendämpfung unterschieden werden. Diese hindern die Federgabel in ihrer Bewegung in die Druckrichtung oder Zugrichtung des Federelements. Die Druckstu- fendämpfung (auch Compression) hindert das Dämpfungssystem somit, wenn es auf Druck belastet wird. Hierdurch werden einerseits die Einfederungsgeschwindigkeit des Federelements verringert und andererseits die Durchschläge verhindert. Die Zugstufendämpfung (auch Rebound) regelt die Geschwindigkeit beim Ausfedern des Federelements und wirkt der Feder mit einem definierten Widerstand entgegen, um die Gabel des Fahrrads vor dem Springen zu schützen. Die Druck- und Zugstufen- dämpfung kann im Rückschlagventil unterschiedlich eingestellt werden. Dazu wer- den Federn mit verschiedenen Härten verwendet, um das Fluid zu bremsen. Ein Ziel ist es hierbei, die Zugstufendämpfung härter einzustellen als die Druckstufendämp- fung, um die Sinusbewegungen durch das Pedaltreten und hochfrequente Fahrbahn- anregungen zu verhindern. Siehe hierzu auch Abbildung 10. [2; S. 139 &. 3; S. 148]

Folgende Dämpfer werden unterschieden:

- Luftdämpfer
- Reibungsdämpfer
- Öldämpfer

Wegen der starken Verbreitung von Öldämpfern, werden diese hier beschrieben. Diese Dämpfer enthalten Mineralöl und spezielle Additive, da das Öl eine sehr gute Scherwirkung aufweist und dies bei dieser Art Dämpfer erwünscht ist.

[...]

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Details

Titel
BikeSafe Federgabel als Teil des Sicherheitssystems von E-Bikes
Hochschule
Hochschule Pforzheim
Veranstaltung
Interdisziplinäre Projektarbeit
Note
2
Autor
Jahr
2015
Seiten
77
Katalognummer
V386649
ISBN (eBook)
9783668647466
ISBN (Buch)
9783668647473
Dateigröße
2339 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Interdisziplinäre Projektarbeit, BikeSafe, HS Pforzheim, Federgabel, E-Bike, Überschlag, axial, radial, bremsen, kräfte, marktvergleich, federung, dämpfung, Trekkingrad, MTB, cityrad
Arbeit zitieren
Robert J. G. Wenndorff (Autor), 2015, BikeSafe Federgabel als Teil des Sicherheitssystems von E-Bikes, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/386649

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