Entwicklung eines CFK-Standrohrs für die Verwendung in Upside-Down-Motorrad-Teleskopfedergabeln

Abstract

Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines Standrohres aus Kohlefaserverbundwerkstoff (CFK) für Motorradgabeln in -up-side-down--Konstruktion. Die Vorgabe an die CFK-Konstruktion war eine größtmögliche Gewichtseinsparung und eine mindestens gleiche Biegesteifigkeit wie sie die im Motorsport eingesetzte Referenzausführung aus Aluminium aufweist. Eine weitere Forderung war die Austauschbarkeit des Aluminium-Standrohrs gegen die CFK-Ausführung ohne Änderungen an den Bauteilen des Tauchrohrs. Das Standrohr ist bei dieser Gabelanordnung das von zwei Gabelbrücken durch Klemmung gehaltene Außenrohr. Zur Führung des Tauchrohrs sind zwei Gleitbuchsen in das Standrohr eingesetzt. Nach der grundsätzlichen Materialauswahl wurden die wichtigsten Materialtests zur Ermittlung von Kennwerten, wie Verbundsteifigkeiten und Festigkeiten in Faserlängs- und Faserquerrichtung, durchgeführt und in der folgenden Berechnung verwendet um für die vorgegebene Belastung die minimale Bauteilwandstärke unter Berücksichtigung der Fertigbarkeit zu ermitteln. Untersucht wurde dabei der kritische untere Teil des Standrohrs ab der Einspannung in der unteren Gabelbrücke. Die Berechnung der Verformung und die Bewertung der Bauteilfestigkeit durch Versagenskriterien erfolgten mit dem zylindrischen Schalenmodul aus dem Berechnungsprogramm ESAComp 4.5. Mit dem optimierten Lagenaufbau und der vorgegeben Kontur wurde ein Wickelkern konstruiert, welcher beim fertigen Standrohr die Maßhaltigkeit im Gleitbuchsenbereich erfüllt und für die Fertigung von mehreren Prototypen verwendet werden kann. Auf diesen Kern wurden mit einem zur Wickelmaschine erweiterten Industrieroboter die Lagen mit dem getesteten harzgetränkten Kohlefaserfaden gewickelt. In einem Prüfstandaufbau wurde die Standrohrsteifigkeit gemessen und anschließend das Rohr beim Bruchlastversuch zerstört. Dabei zeigte sich, dass die gemessene Steifigkeit etwas geringer als die mit ESAComp 4.5 berechnete ist. Nach der ersten Belastung bis zur vorgegebenen Mindestbruchlast und anschließender Entlastung hat beim zweiten Belastungszyklus das Rohr an der Einspannstelle versagt. Eine konstruktive Verbesserung des Rohres im Bereich der Einspannstelle wurde erarbeitet und durch die Berechnung mit ESAComp 4.5 bestätigt. In dieser Arbeit wurde erfolgreich eine Vorgehensweise erarbeitet und experimentell überprüft, die es ermöglicht, ein Faserverbund-Standrohr zu entwickeln, das im Vergleich zum Referenzrohr etwas weniger als die Hälfte wiegt und gleichzeitig im freien Standrohrbereich eine um 25% höhere Biegesteifigkeit aufweist. Im Ausblick werden Hinweise auf fertigungstechnische Optimierungen und Möglichkeiten zur Feinabstimmung der mechanischen Eigenschaften von CFK-Standrohren gegeben.

The aim of this thesis was the development of a fork tube made of carbon fiber composite material (CFRP) for motorcycle forks in "upside down" construction. The requirements to the CFRP structure were a maximum weight reduction and an equal or better bending stiffness compared to the reference. The reference aluminum fork tube used is state of the art in motorsports. Another requirement was the interchangeability of aluminum and CFRP fork tubes without changes to the components of the inner tube. The fork tube consists of two yokes clamped to the outer tube at the fork assembly. Two sliding bushes within the standpipe guide the inner tube. After the selection of materials the main material tests were conducted. Relevant para-meters were obtained, such as composite stiffness and composite strength in fiber lengthwise and fiber transverse direction. These results were used to determine, for a given load, the minimum component thickness with consideration of manufacturability. The focus was on the critical lower portion of the fork tube, the part beneath the lower triple clamp. For calculation of the deformation and for evaluation of the component strength by failure criteria the cylindrical shell module from the software ESAComp 4.5 was applied. Then a winding core with optimized layer structure was constructed in the predefined contour. This winding core meets the specified accuracy of the fork tube with regard to the slide bushes and can be used to produce several prototypes. The layers of resin-impregnated carbon fiber roving were wrapped around the core by an industrial robot which serves as a winder. On the test rig the fork tube-s bending stiffness was measured and in a second step destroyed in a breaking load test. It was found that the measured bending stiffness is slightly less than the value calculated by ESAComp 4.5. After initial bending with the minimum breaking load and subsequent rebound the pipe failed at the clamping point during the second loading cycle. A constructive improvement of the tube in the clamping point was elaborated and confirmed by ESAComp 4.5 calculations. In this work an approach to developing a fiber composite fork tube has been successfully demonstrated and experimentally tested. The CFRP fork tubes weigh slightly less than half in comparison to the reference aluminum tube and at the same time have a 25% higher bending stiffness in the lower portion. As an outlook, indications on production engineering optimizations and opportunities to fine-tune the mechanical properties of CFRP fork tube are given.