Entwicklung und Konstruktion einer Kupplung für eine hydraulische Fahrrad Seitenwagenbremse

Inhalt

1 Einleitung

2 Anforderungen

3 Konzeptvarianten
3.1 Hydraulische Schnellkupplung
3.2 Geber- und Nehmerzylinder
3.3 Abnehmbare Radbremse
3.4 Spannvorrichtung

4 Konzeptauswahl

5 Praktische Umsetzung

6 Umsetzung in CAD
6.1 Fahrrad und Seitenwagen
6.2 Spannvorrichtung
6.2.1 Auswahl und Dimensionierung der Zugfedern
6.2.2 Positionierung der Spannvorrichtung
6.2.3 Befestigungskriterien der Spannvorrichtung
6.2.4 Befestigung der Spannvorrichtung

7 Zusammenfassung und Ausblick

8 Literatur

9 Anhang
9.1 Bilderverzeichnis
9.2 Tabellenverzeichnis
9.3 Explosionszeichnung der Spannvorrichtung
9.4 Daten und Berechnungsergebnisse der Zugfedern

1 Einleitung

Im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit soll eine Kupplung für eine hydraulische Fahrrad Seitenwagenbremse, bei einem Tourenrad der Marke SMIKE, entwickelt und konstruiert werden. Hierbei handelt es sich um ein Fahrrad mit abnehmbarem Seitenwagen, der als Beifahrersitz ebenso wie als Transportfläche dient. Dieser Seitenwagen ist für eine maximale Zuladung von 75 kg zugelassen und verfügt serienmäßig über Aufnahmen für einen Kindersitz. Durch die drehbare Lagerung ist auch bei angekoppeltem Seitenwagen die Schräglagenfähigkeit des Fahrrades gewährleistet. Wie in Bild 1 zu sehen ist, kann das Modell optional mit einem elektrischen Unterstützungsantrieb in Form einer Radnabenmotors am Vorderrad ausgestattet werden.

Die Diplomarbeit wird bei der Firma HAWK Bikes Entwicklung und Marketing GmbH in Berlin angefertigt. Zusammen mit dem Schweizer Unternehmen SMIKE AG, wurde das Fahrrad und der Seitenwagen entwickelt und ging Mitte des Jahres 2006 in Serie. Jetzt soll der Seitenwagen mit einer hydraulischen Felgenbremse der Marke MAGURA ausgestattet und an die Hinterradbremse des Fahrrades angeschlossen werden. Notwendig macht dies die noch ausstehende, vom Schweizer Bundesamt für Strassen (Astra), kantonale Bewilligung für den Personentransport auf dem Fahrrad Seitenwagen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1 SMIKE

Aus den folgenden Tabellen können die technischen Details des Tourenrades, des Seitenwagens sowie des elektrischen Antriebs entnommen werden.

Tabelle 1 Technische Details des Tourenrades [1]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2 Technische Details des Seitenwagens [1]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 3 Technische Details des elektrischen Antriebs [1]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 4 Legende Motorenwerte [1]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2 Anforderungen

Wie bereits erwähnt, soll der Seitenwagen mit einer hydraulischen Felgenbremse ausgestattet und diese mit der Hinterradbremse des Fahrrades verbunden werden. Die wichtigste Anforderung in Bezug auf die Betriebssicherheit besteht in der zwangsläufigen Kupplung des Bremssystems beim Ankoppeln des Seitenwagens an das Fahrrad. Diese Kupplung zwischen Fahrrad- und Seitenwagenbremse darf vom Anwender weder vergessen noch übersehen werden. Des Weiteren muss die Funktionalität der Hinterradbremse des Fahrrades auch bei abgekoppeltem Seitenwagen gewährleistet sein.

Bei der Verbindung der Bremsen sind außerdem die Relativbewegungen zwischen Fahrrad und Seitenwagen während des Fahrbetriebs zu berücksichtigen. Da die Seitenwagenbremse als Nachrüstsatz für bereits ausgelieferte Radmodelle konzipiert ist, dürfen weder am Fahrrad noch am Seitenwagen konstruktive Änderungen vorgenommen werden.

Genau wie die Übertragung der Bremskraft, muss sowohl das Öffnen als auch das Schließen der Kupplung rein mechanisch erfolgen. Dies ist notwendig, da nicht jedes Fahrrad Modell über einen elektrischen Unterstützungsantrieb und somit auch über eine Stromquelle verfügt. Des Weiteren sollte die Kupplung möglichst so ausgelegt sein, dass ein versehentliches oder selbstständiges Öffnen bei angekoppeltem Seitenwagen ausgeschlossen ist.

Die Punkte der folgenden Aufzählung stellen die Anforderungen speziell an die Kupplung des Bremssystems dar.

- Hohe Lebensdauer
- Wartungsarmut
- Kompakte Bauform
- Bauteilreduzierung
- Geringes Gewicht
- Hoher Wirkungsgrad
- Niedrige Herstellungskosten
- Verwendung möglichst vieler Kaufteile

Im Kapitel 3 werden vier Konzeptvarianten zur Bremskraftübertragung näher vorgestellt, die während den Vorüberlegungen bzw. Recherchen zu diesem Arbeitsauftrag entwickelt wurden.

3 Konzeptvarianten

3.1 Hydraulische Schnellkupplung

Auf dem Markt wird eine Vielzahl von Schnellkupplungssystemen mit verschiedenen Nennweiten und Werkstoffen angeboten. Sie dienen zum schnellen Verbinden und Trennen von Leitungssystemen. Diese Schnellkupplungen bieten ein breites Spektrum an Anschlussarten und finden Anwendung in jedem Druckbereich. In einseitig und beidseitig absperrender Ausführung, sind sie für diverse gasförmige und flüssige Medien geeignet. Bild 2 zeigt eine Auswahl von Niederdruck Schnellkupplungssystemen der Firma Walther Präzision. Weitere Merkmale von Schnellkupplungen sind:

- Automatische Verriegelung
- Leckagefreie Ausführung
- Hoher Wirkungsgrad
- Langwährende Dichtheit

Als Verbindung zwischen Fahrrad- und Seitenwagenbremse sind Schnellverschlusskupplungen aufgrund ihres hohen Preises eher ungeeignet. Des Weiteren muss die Kupplung vom Anwender immer noch manuell geschlossen werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2 Niederdruck Schnellkupplungen [2]

3.2 Geber- und Nehmerzylinder

Während der Vorüberlegung entstand die Idee, die Bremskraft von der Hinterradbremse des Fahrrades zur Radbremse des Seitenwagens, mittels Geber- und Nehmerzylinder zu übertragen. Wie auf den Schnittdarstellungen in Bild 3 und 4 zu sehen ist, sind die beiden Zylinder jeweils in konisch zueinander passenden Elementen untergebracht. Der Anschluss an die Bremssysteme von Fahrrad und Seitenwagen erfolgt über einen Stutzen mit einem Außengewinde der Größe M6 und die serienmäßige MAGURA Bremsleitung, die über den Stutzen gesteckt wird.

Die Elemente mit Geber- und Nehmerzylinder sind auf Hülsen montiert, welche sich drehbar gelagert jeweils auf dem Rahmenrohrende des Fahrrades sowie auf dem Arm des Seitenwagens befinden. Bei angekoppeltem Seitenwagen und Neigung des Fahrrades, verbleiben die Elemente dadurch in gleicher Position zueinander. Beim Ankopplungsvorgang entsteht durch die konische Form der Elemente eine formschlüssige Verbindung, bei der sich Geber- und Nehmerzylinder gegeneinander abstützen. Somit kann die Kraft des fahrradseitigen Bremssystems auf das Bremssystem des Seitenwagens übertragen werden.

Als Nachteile dieser Variante sind vor allem die nicht abzusehenden Entwicklungskosten sowie Entwicklungszeit und die fehlende Machbarkeitsstudie zu diesem Konzept zu nennen. Des Weiteren besteht, durch die fehlende Verriegelung des Geberzylinders im Solobetrieb des Fahrrades, ein erheblicher Unterschied zwischen der Bremsleistung am Hinterrad bei ab- und angekoppeltem Seitenwagen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3 Konzept bei abgekoppeltem Seitenwagen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 4 Konzept bei angekoppeltem Seitenwagen

3.3 Abnehmbare Radbremse

Eine weitere Variante der Bremskraftübertragung stellt die abnehmbare Radbremse des Seitenwagens dar. Wie Bild 5 zeigt, ist hierbei an der Gewindebohrung der Entlüftungsschraube des in Fahrtrichtung hinteren rechten Bremszylinders, mittels Hohlschraube und Ringnippel eine MAGURA Bremsleitung angeschlossen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 5 Bremszylinder mit Anschluss für Seitenwagenbremse [3]

Auf den Bildern 6 und 7 ist zu sehen, wie die Bremsleitung an den Streben des Gepäckträgers vorbei, unter der Sitzplatte des Seitenwagens entlang bis zur Bremse des Seitenwagenrades führt. Die Länge der Bremsleitung ist so bemessen, dass die Neigungsbewegungen des Fahrrades ungehindert ausgeführt werden können.

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