Numerische FE-Analyse eines innovativen Mountainbikes

Abstract

Das Fahrrad stellt wahrscheinlich eine der bedeutendsten Erfindungen in der Geschichte der Menschheit dar. Es ist nach wie vor das unangefochten am weitesten verbreitete Fortbewegungsmittel auf der Erde und ist gerade deswegen immer noch im Mittelpunkt vieler Weiterentwicklungs- und Forschungsvorhaben. Ziel und Zweck ist dabei das Fahrrad bei stetig steigenden Anforderungen immer sicherer, komfortabler und leistungsfähiger im Hinblick auf das Gewicht, Stabilität und Steifigkeit zu machen. Der momentane Trend die Erkenntnisse des Leichtbaus und im Speziellen auf die Verwendung von Faser-Kunststoff- Verbunden wie beispielsweise carbonfaserverstärkte Kunststoffe, in die moderne Fahrradentwicklung einfließen zu lassen, bedarf auf Grund der werkstoffspezifischen Verhaltensmuster einer genauen Analyse der Konstruktion um etwaige Schäden personeller, materieller oder ökonomischer Art zu vermeiden. Durch den Einsatz von Faserverbundwerkstoffen ist ein gezieltes Design des Materials möglich, wodurch hohe gewichtsbezogene Bauteilfestigkeiten und -steifigkeiten erreicht werden können. Damit eine bestmögliche Auslegung der Carbonteile in Verbindung mit Aluminiumteilen gewährleistet ist, sind genaue Berechnungen notwendig, die den Einsatz von numerischen Berechnungsprogrammen unerlässlich machen. Gegenstand dieser Diplomarbeit ist die numerische Analyse von Gabel- und Rahmenbauteilen eines innovativen Mountainbikes "Ferrara Ducenta", das von der Firma MOTIO entwickelt wurde. Ziel der Studie ist die Bestimmung der Steifigkeit einer neuen Vorderradaufhängung des Mountainbikes und die Überprüfung der Festigkeit aller zur Vorderradaufhängung gehörenden Teile (exklusive Schrauben) und aller zur Vorderradaufhängung gehörenden Rahmenbauteile (exklusive Schrauben) an Hand der durch die Firma MOTIO bereit gestellten Geometriedaten. Der erste Teil der Diplomarbeit beschäftigt sich mit der allgemeinen Modellierung von Fahrradkomponenten in insgesamt drei Vorstudien. Das Ziel ist hierbei eine möglichst grobe und einfache Modellierung von im System Fahrrad verwendeten Bauteilkomponenten und Bauteilverbindungen unter Beibehaltung von qualitativ ausreichend genauen Ergebnissen. Im Speziellen wird das Verhalten von drei Grundmodellen aus Aluminium und / oder Carbon unter den Grundlastfällen Biegung, Torsion und Zug untersucht. Hierbei wird besonderes Augenmerk, soweit möglich, auf den Vergleich der analytischen und numerischen Ergebnisse als auch auf die Auswirkungen der Netzfeinheit auf die Ergebnisse gelegt. Im zweiten Teil der Diplomarbeit erfolgt die Festigkeitsberechnung aller zur Vorderradaufhängung gehörenden Teile sowie der Rahmenbauteile in zwei Schritten. Anschließend erfolgt mittels feiner diskretisierten Detailmodellen eine Festigkeitsberechnung der sich kritisch verhaltenden Komponenten der Vorderradaufhängung. Dabei werden die isotropen Bauteile nach dem von Mises Vergleichsspannungskriterium und alle Bauteile mit anisotropen Materialverhalten mit dem Tsai Wu Kriterium beurteilt. Weitere Bewertungen hinsichtlich Steifigkeitsanforderungen und plastizieren erfolgen nach den EFBe und DIN 14766 Richtlinien.<br />

The bicycle, probably one of the most outstanding inventions in the history of mankind, is still the most used vehicle on earth. On account of this it is still in the center of many research projects and further developments. The aims and purposes of the development measures are to make the bicycle safer, more comfortable and more efficient in terms of weight, stability and stiffness. The current trend of including the theory of light weight structures especially the knowledge about fibre composites like carbon fiber reinforced polymers into bicycle development requires due to the material specific behaviour an exact analysis of the construction. This is to prevent disasters that harm humans or produce material or economical damage. The usage of fibre composites enables the engineer to develop materials with user specified material parameters. This allows for very high weight related component strength and stiffness. To ensure the best possible design of the carbon fibre reinforced parts, the use of numerical calculation programs is of essential importance. The subject of this paper is the numerical analysis of an innovative mountain bike called "Ferrara Ducenta", developed by MOTIO. The aim of the thesis is the stiffness determination of the new innovative suspension and the verification of the strength of all parts belonging to the front suspension system (screws excluded) according to the geometrical data provided by MOTIO. The first part of the paper deals with the modeling of bycicle components in three pre studies. The task was to find out a rough and simple way to model bicycle components for numerical simulations without risking a lack of quality in the results. In particular the behavior of three basic bicycle components exposed to bending, tension and torsion has been observed. The major focus lies on the comparison of the numerical with the analytical approach, the mesh density and modeling strategy in terms of calculation time and achievable accuracy of results. The second part of the thesis deals with the load case related analysis of the bicycle named "Ferrara Ducenta". All critical components of the suspensions system have been checked further in a sub model analysis. The aluminum parts are verified with the von Mises criteria, all carbon fibre reinforced polymer parts underlie the Tsai Wu criteria. Further criteria concerning the stiffness and plasticity are considered according the EFBe and DIN 14766 rules.