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Zur Anwendung von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff im Hochleistungs-Rahmenbau von Sportfahrrädern

  • Faser-Kunststoff-Verbunde sind aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften und Formgebungsmöglichkeiten der Trendwerkstoff im Rahmenbau von Hochleistungs- Sportfahrrädern. Hierbei ermöglicht die zunehmende Berücksichtigung von Leichtbau- Technologien eine Erhöhung der Leistungs-Gewichts-Relation, um den stetig wachsenden Anforderungen an die Fahreigenschaften, die Haltbarkeit und das Gewicht gerecht zu werden. Ein geschichtlicher Rückblick über die letzten Jahrzehnte im Fahrradrahmenbau zeigt eine deutliche Gewichtsreduktion bei steigender Funktionalität. Besonders der Einsatz neuartiger Werkstoffe ermöglichte immer wieder eine wesentliche Erhöhung der Leichtbaugüte. In den Anfängen begannen die Rahmenhersteller mit Gusseisen, anschließend wurde Stahl verwendet und schließlich Leichtmetalle, wie Aluminium. Die derzeit leichtesten Rahmen werden aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff gefertigt. Die Anwendung von Faser-Kunststoff-Verbunden ist deutlich komplexer und fordert eine integrierte Betrachtungsweise von den Werkstoffen über die Bauweise, der Fertigungstechnologie sowie der Bauteilprüfung. Die erzielbare Leistungsfähigkeit eines Hochleistungs-Rahmens wird hierbei wesentlich in der Konstruktions- und Dimensionierungsphase vorgegeben. Eine Übersicht über derzeitige Bauweisen und Fertigungstechnologien zeigt deren spezifische Eigenschaften. Um in der Entwicklung eine möglichst gute Lösung innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters zu erreichen, können praktikable und effiziente Simulationswerkzeuge einen erheblichen Beitrag leisten. Hierzu wurde ein Werkzeug entwickelt, welches mit Hilfe eines Gradientenverfahrens an parametrischen Geometrie FE-Modellen zur Gestaltoptimierung und Optimierung der Laminatkonfiguration angewendet werden kann. Dieses ist auf in Differentialbauweise gefertigte Rahmen ausgerichtet und berücksichtigt in besonderem Maße die werkstoff- und fertigungsspezifischen Anforderungen von Faser-Kunststoff-Verbunden. Zur Verbesserung der Festigkeitsvorhersage dient ein Modell zur vollständigen schichtenweisen Bruchanalyse, welches aus den Bausteinen Spannungsermittlung mit Berücksichtigung werkstofflicher Nichtlinearitäten, Festigkeitskriterium mit Unterscheidung der Bruchtypen Zwischenfaserbruch und Faserbruch sowie Steifigkeitsdegradation der Einzelschicht nach Eintritt von unkritischen Matrixbrüchen besteht. Das Modell erlaubt die Vorhersage des gesamten Schädigungsprozesses unter quasistatischer Belastung vom Erstschichtversagen bis hin zum Laminatversagen. Weiterhin wurde das Modell in ein kommerzielles FE-Programm implementiert und erlaubt die Analyse von komplex geformten Strukturen. Unter Anwendung der Simulationswerkzeuge konnten drei Hochleistungs-Rahmen in Differentialbauweise entwickelt werden, die weltweit zu den leichtesten und steifsten gehören. Hierbei lieferte das Optimierungswerkzeug die Ausgangsgestalt sowie die in den Rohren notwendige Laminatkonfiguration zur Erreichung höchstmöglicher Steifigkeits-zu-Gewichtsverhältnisse. Aufbauend auf den Erkenntnissen erfolgte die detaillierte Rahmenkonstruktion. Kritische Bereiche am Rahmen konnten durch die abschließende Anwendung des Festigkeitsanalysewerkzeugs aufgedeckt und beseitigt werden. Es konnte eine gute Übereinstimmung der Ergebnisse des Festigkeitsanalysewerkzeugs mit Prüfstandsversuchen gezeigt werden. Die erzielten herausragenden Fahreigenschaften und die Haltbarkeit der entwickelten Rahmen konnten sowohl auf Prüfständen als auch im Alltag bereits ausgiebig unter Beweis gestellt werden. Der Einfluss von transversalen Stoßeinwirkungen auf Fahrradrahmen wurde an Sturzversuchen an kompletten Rennrädern sowie an repräsentativen Ober- und Unterrohren aus Aluminium und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff untersucht und die auftretenden Schädigungen ermittelt. Hierbei zeigte sich, dass insbesondere an Rahmen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff nicht sichtbare Schäden bereits bei geringsten Stoßeinwirkungen auftreten, unabhängig vom verwendeten Fasertyp. Durchgeführte zyklische Prüfungen an vorgeschädigten Rennradrahmen unter geringer Stoßeinwirkung zeigten keinen messbaren Verlust an Steifigkeit oder Haltbarkeit der untersuchten Rahmen. Untersuchungen zum Einfluss des Fasertyps auf die Impakteigenschaften zeigten deutliche Unterschiede bei den aufgetretenen visuell erkennbaren Schäden.

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Metadaten
Author:Michael Kaiser
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-47286
ISBN:978-3-934930-75-9
Serie (Series number):IVW-Schriftenreihe (79)
Publisher:Institut für Verbundwerkstoffe GmbH
Place of publication:Kaiserslautern
Advisor:Norbert Himmel
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Publication Date:2017/08/09
Year of Publication:2008
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2007/10/12
Date of the Publication (Server):2017/08/09
Number of page:XII, 127
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Cassification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Licence (German):Creative Commons 4.0 - Namensnennung, nicht kommerziell, keine Bearbeitung (CC BY-NC-ND 4.0)