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 die axiale und radiale Bewegung der Federgabel beschrieben. Die axiale Bewegung wird durch die die Federungs- und Dämpfungseinheit beschrieben. 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 entspricht, die bei E-Bikes in Europa eingesetzt werden. Die als speziell für E-Bikes ausgeschriebenen Federgabeln weisen andere Spezifikationen auf als „normale“ Federgabeln.
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.
Inhaltsverzeichnis
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
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit befasst sich mit der systematischen Erfassung von Parametern der Vorderradgabel, um deren Einfluss auf die Fahrdynamik bei kritischen Bremsmanövern wie Radblockieren und Überschlag zu untersuchen und eine Grundlage für das Sicherheitssystem „BikeSafe“ zu schaffen.
- Grundlagen der Fahrradfederung und Dämpfung
- Experimentelle Messung der Federgabel-Dynamik
- Analytische Herleitung von Durchbiegung und Nachlauf
- Marktanalyse von E-Bike Federgabeln
- Vergleich zwischen theoretischen Berechnungen und realen Messdaten
Auszug aus dem Buch
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 p 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 F_G verformt. Der Federkraftanteil F_F wird dabei als F_F = c_s * f berechnet, wobei c_s die Federkonstante und f den zurückgelegten Weg darstellt.
Die hierbei als potentielle Energie in diesem System gespeicherte Energie wird entgegen der einwirkenden Richtung als Bewegungsenergie bei der Entlastung verlustfrei wieder abgegeben. Die Anordnung der Federn kann in Reihe, also hintereinander, oder parallel in jedem Rohr erfolgen. Diese besitzen entweder unterschiedliche Härten oder verschiedene Windungssteigungen um ein Durchdrücken zu verhindern. Meist ist unterhalb der Federung noch ein Elastomer als Endlagendämpfung angebracht, um einen harten Aufschlag zu reduzieren. Siehe hierzu die Abbildung 8, dessen Federeinheit von unten aus der Federgabel gebaut worden ist. Federungen können parallel, innerhalb eines Tauchrohres, oder in Reihe, innerhalb beider Tauchrohre, angeordnet werden.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Vorstellung des Projekts BikeSafe und der Zielsetzung der Parameteranalyse zur Erhöhung der Sicherheit bei E-Bikes.
2 Grundlagen Fahrradfederungen: Theoretische Erläuterung der Federungs- und Dämpfungsmechanismen sowie mathematische Modellierung der wirkenden Kräfte.
3 Messungen: Beschreibung der experimentellen Vorgehensweise zur Bestimmung der Feder- und Dämpfungskonstanten sowie des Verhaltens in Fahrtrichtung.
4 Auswertung der Messungen: Analyse der von Magura zur Verfügung gestellten Daten und Vergleich mit den theoretischen Berechnungsmodellen.
5 Marktanalyse E-Bike Federgabeln: Kategorisierung und Untersuchung von E-Bike Federgabeln zur Einordnung der im Projekt verwendeten Modelle.
6 Zusammenfassung und Ausblick: Resümee der Ergebnisse und Empfehlungen für weiterführende Untersuchungen zur Optimierung von Federgabeln in E-Bikes.
Schlüsselwörter
Vorderradfedergabel, BikeSafe, E-Bike, Radblockieren, Überschlag, Federkonstante, Dämpfungskonstante, Federweg, Nachlauf, Bremsnicken, Radlastverlagerung, Marktanalyse, Fahrwerkstechnik, Luftfederung, Stahlfederung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der systematischen Erfassung und Analyse der Parameter von Vorderradgabeln, um deren Einfluss auf die Fahrdynamik und Stabilität von E-Bikes bei kritischen Bremsmanövern zu verstehen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Zentrale Themen sind die physikalischen Grundlagen der Fahrradfederung (Feder- und Dämpfungskräfte), die experimentelle Vermessung von Federgabeln sowie eine umfangreiche Marktanalyse für E-Bike-Komponenten.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das primäre Ziel ist es, typische Werte und die Bandbreite an Federgabel-Spezifikationen zu erfassen, um die Sicherheit bei E-Bikes im Rahmen des Projekts „BikeSafe“ zu erhöhen und ein fahrdynamisches Sicherheitssystem zu unterstützen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden sowohl theoretische physikalische Herleitungen (Mechanik, Federkennlinien, Nachlaufberechnung) als auch experimentelle Messmethoden (Servohydraulische Prüfmaschine) kombiniert angewendet.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretischen Grundlagen der Federgabel-Dynamik, die experimentelle Durchführung der Messungen zur Feder- und Dämpfungscharakteristik sowie die quantitative Auswertung dieser Daten.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit wird durch Begriffe wie Vorderradfedergabel, Radlastverlagerung, E-Bike-Sicherheit, Federkennlinie und Fahrdynamik charakterisiert.
Warum ist die Federgabel für das Projekt „BikeSafe“ relevant?
Die Federgabel hat einen maßgeblichen Einfluss auf das Bremsnicken und die Rahmengeometrie; ihre Verformung verändert den Nachlauf und damit die Fahrstabilität, was für ein ABS-ähnliches Sicherheitssystem bei E-Bikes kritisch ist.
Was ergab die Marktanalyse für E-Bike Federgabeln?
Es zeigte sich, dass E-Bike-Hersteller häufig auf „normale“ Fahrradfedergabeln zurückgreifen, die oft keine spezifischen Verstärkungen aufweisen, was angesichts des höheren Gewichts und der Fahrgeschwindigkeiten von E-Bikes problematisch sein kann.
- Arbeit zitieren
- Robert J. G. Wenndorff (Autor:in), 2015, BikeSafe Federgabel als Teil des Sicherheitssystems von E-Bikes, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/386649
