FlexiFrame - Auslegung und Verfahrensentwicklung für einen fahrerindividuellen Mountainbikerahmen

Hardtail oder Fully (Full-Suspension-Bike) ist die Gretchenfrage des Cross-Country (CC) und Marathon Mountainbike-Bereichs. Während Hardtails durch ihren starren Hinterbau steifer und zugleich leichter sind, bietet der federnde Hinterbau eines Fullys Fahrkomfort, Bergab-Performance und Traktion.  Das Projekt FlexiFrame hat sich zum Ziel gesetzt, die Vorteile beider Bauweisen zu vereinen und damit dem ambitionierten Rennfahrer eine bessere Alternative zu bieten (vgl. Abbildung 1).

Um dieses Ziel zu erreichen, wird im Rahmen des Projektes ein federnder Hinterbau entwickelt, der dabei auf Lager und klassische Feder-Dämpfer-Elemente verzichtet. Grundlage für diese Rahmenbauweise ist ein neu entwickeltes Hybridlaminat, welches eine Kombination von kohlenstofffaserverstärkten Lagen und Elastomerlagen darstellt. Dieser neu entwickelte Verbundwerkstoff ermöglicht es, dem Hinterbau richtungsabhängige Steifigkeiten zuzuordnen, die einerseits ein Federn und Dämpfen des Hinterbaus ermöglichen um Bodenunebenheiten auszugleichen, gleichzeitig aber ein direktes Fahrgefühl aufrechterhalten. In einem ersten Schritt werden unterschiedliche Laminataufbauten für das Hybridmaterial untersucht und die mechanischen Eigenschaften bestimmt. Hierbei werden sowohl statische Kennwerte ermittelt, die für die spätere Auslegung des Rahmen notwendig sind, als auch dynamische Kennwerte. Durch den Einsatz von Elastomerlagen kann das Dämpfungsverhalten des Hybridmaterials - im Vergleich zu einem herkömmlichen Verbundwerkstoff - deutlich verbessert werden (vgl. Abbildung 2).

Durch eine alleinige Werkstoffsubstitution können jedoch die Herausforderungen der FlexiFrame Rahmenbauweise nicht geleistet werden. Daher wird neben der Werkstoffanalytik eine vollständige Analyse der Rahmenbauweise durchgeführt. Hierfür wurde von dem Rahmen ein parametrisches Balkenmodell erstellt (vgl. Abbildung 3). In diesem Modell sind Ketten- und Sitzstrebe in jeweils vier Bereiche unterteilt. Neben den beiden Streben besteht das Modell aus einer Blattfeder für die Aufnahme der Federkräfte, die beim Einfedern entstehen. In den unterschiedlichen Bereichen des Modells können die geometrischen Parameter sowie die Materialeigenschaften variiert werden. Die Variationsmöglichkeiten werden nach Bauraumvorgaben und den zuvor ermittelten Eigenschaften des Hybridmaterials festgelegt. Eingespannt ist das Modell im Bereich des Tretlagers und am Ende der Blattfeder. Für die Optimierung der Bauweise werden eine Zwangsbedingung und verschiedene Optimierungsziele definiert. Als Zwangsbedingung werden 25% Einfedern des maximalen Federwegs unter statischer Last definiert, was einem Standardwert für die Fahrwerksauslegung für den CC Bereich entspricht. Zu den Optimierungszielen zählen das Gewicht des Rahmes, eine minimale Spannung im Bereich des Tretlagers (dies ist i.d.R. der am höchsten belastete Bereich im Hinterbau) und die Torsionssteifigkeit des Hinterbaus. Untersucht wird das parametrische Modell mit Hilfe der Optimierungssoftware LS Opt. Hierbei werden Einzeloptimierungen durchgeführt und anhand dieser wird eine Zielfunktion erstellt, mit der eine Optimierung aller Parameter durchgeführt wird.

Um weiterhin die Einstellbarkeit des Rahmens auf den Fahrer zu gewährleisten, wird ein hochflexibler und vollautomatisierter Prozess zur fahrerindividuellen Fertigung entwickelt. Für den Prozess gilt es einen Tapelegekopf für Towpregs sowie ein Formwerkzeug zu entwickeln. Dieser Prozess soll die automatisierte Herstellung der Hybridlaminat-Preform für Hohlbauteile mit kleinen Radien und starken Krümmungen ermöglichen.

Das Projekt FlexiFrame („Hochflexibler Hybrid-Composite-Hinterbau für fahrerindividuelle Mountainbike-Rahmen; Auslegung und Verfahrensentwicklung für einen fahrerindividuellen Mountainbikerahmen“ wird im Rahmen des Programms „Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)“ vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert (Förderkennzeichen ZF4052316RE7).

Weitere Informationen:
Torsten Heydt, M.Sc.
Bauteilentwicklung
Institut für Verbundwerkstoffe GmbH
Erwin-Schrödinger-Str. 58
67663 Kaiserslautern
Telefon: +49 631 2107 209
E-Mail: torsten.heydt@ivw.uni-kl.de

Tim Schmidt, M.Sc.
Imprägnier- & Preformtechnologien
Institut für Verbundwerkstoffe GmbH
Erwin-Schrödinger-Str. 58
67663 Kaiserslautern
Telefon: +49 631 31607 32
E-Mail: tim.schmidt@ivw.uni-kl.de