Fertigung einer CFK Koppel als Element eines speziellen Fahrradantriebes und Entwicklung eines Prüfstandes zur Steifigkeitsmessung

Abstract

Der an der Technischen Universität Wien entwickelte, biomechanisch optimierte Fahrradantrieb [11], [12], [17] dient der Steigerung des Leistungsfähigkeit des Radsportlers beim Fahrradfahren und macht den Einsatz zusätzlicher Bauteile notwendig, die in zyklischer Art Bewegungen vollführen und den wesentlichen Teil der Antriebskräfte übertragen. Diese beiden Anforderungen verlangen, dass die Komponenten steif sind und geringe Massen aufweisen. Dahingehend galt es die kraftübertagenden Bauteile dieses Antriebes zu optimieren. Da im Sportgerätebau erprobt und bewährt, kam als Werkstoff Kohlefaser Kunststoff Verbund zum Einsatz, der bei richtiger Gestaltung zur Erfüllung dieser Eigenschaften besonders gut in der Lage ist. Der Lagenaufbau der Hauptkomponente des Antriebs (die Koppel) wurde zuerst grob abgeschätzt und durch Messung der Deformationen und Analyse der Versagensart mit Hilfe eines Prüfstands verbessert. Der Prüfstand wurde eigens dafür entwickelt und ermöglicht die Darstellung der Zusammenhänge zwischen den sich ergebenden Verschiebungen und den Belastungen. Die dadurch gewonnen Erkenntnisse fließen dann direkt in das Design der darauf folgenden Koppeln. Es handelt sich also um eine empirische Optimierung. Dies wurde für drei Koppeln aus Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) durchgeführt. Die wesentlichen Problempunkte dabei waren die geeignete Fertigungsmethode zu finden, die Lasteinleitung in ein FKV - Sandwich Bauteil bei Biegebeanspruchung und die Erreichung der geforderten Steifigkeiten und Festigkeiten. Die zuletzt gefertigte Koppel hat alle Anforderungen am besten erfüllt und eine Testfahrt hat außerdem gezeigt dass sich der durch die Verwendung gut umsetzbare Kröpfungsverlauf sehr gute ergonomische Eigenschaften aufweist.<br />

The biomechanical optimised bicycle drive mechanism [11], [12], [17], which perform cyclic motions and has to transfer the major muscular strength, developed at the Vienna University of Technology, is intended to increase the power output of the cyclist. Thos mechanism makes the use of additional parts necessary which perform cyclic motions and transfer the majority of the muscular strength. That is the reason, why it is important to achieve high stiffness and low weight for those parts. Because of its good mechanical properties and the approved use in sports equipments, carbon fibre reinforced plastics are used to build the main part (coupler) of this driving system.<br />The laminate structure of the coupler was estimated and later on, by using a test station, improved by measuring deformations and analysing the mode of failure. The test station was developed specially for stiffness measurement of the coupler and made it possible to visualise the behaviour between applied loads and resulting deformations. The results of the measurements and the analysis of the failure mode influenced the laminate structure of the following couplers therefore it is called an "empiric optimisation process". One glass-fibre-, and three carbon-fibre reinforced couplers were built. The main difficulties were to find the best manufacturing method, the load application to a sandwich fibre-reinforced-plastic structure under a bending moment and the achievement of the claimed weight and stiffness ratio. The last coupler (CFK2) meets all requirements best, it has the lowest weight and remarkable stiffness. A test ride showed that the continuous crank design, which is only feasible by the use of reinforced plastics, has very well ergonomically effects.