Abstract

Für einen Fahrradrahmen in Hybridbauweise wird ein Konzept vorgestellt, additiv gefertigte Aluminium-Muffen über Strukturklebeverbindungen mit handelsüblichen CFK-Rohren zu verbinden. Diese Bauweise eröffnet die Möglichkeit, das Fahrrad auf die Körpermaße abzustimmen und in vielfältiger Richtung zu individualisieren. Überdies lassen sich Baugruppen in den Rahmen integrieren (z. B. Batterie, Brems- und Schaltsysteme, etc.) und der daraus resultierende Sekundärleichtbau sinnvoll nutzen. In Zusammenarbeit mit bayerischen Industrieunternehmen und der Forschung soll ein Technologiedemonstrator aus der Schnittmenge der drei hochgradig attraktiven Technologiefelder CFK, additive Fertigung und Strukturkleben entstehen.

Die strukturelle Klebeverbindung zwischen CFK-Rohr und Muffe ist hierbei essentiell wichtig für die Bauteilsicherheit. Bereits Smolik hat das Technologiepotenzial des Klebens von CFK-Rohren im Fahrradbau bewertet und weist auf die geringe Festigkeit bei den üblichen Fügespaltmaßen hin. Einem Vorschlag von Dickhut folgend, standen Übermaße von Null bzw. Presspassungen im Zentrum der bewerteten Varianten.

Abb. 1: Konstruktiver Entwurf

Zur Abschätzung der auftretenden Beanspruchungen erfolgte eine FE-Analyse an einem Fahrradrahmen, welche die Lastfälle in Anlehnung an die DIN EN ISO 4210-6 zugrunde legt. Die Rückrechnung in Schnittlasten an den Muffen mittels des Strukturspannungskonzeptes ergab signifikante Anteile an Biegebelastungen in den Verbindungen. Mit diesen Ergebnissen wurde eine Probenform für Versuche unter überlagerter Zug- und Biegebeanspruchung entwickelt. Daraufhin wurden systematisch die Einflussgrößen auf die Bauteilfestigkeit im Schwingversuch an vereinfachten, modellhaften Bauteilproben untersucht.

Die Einflüsse der technologischen Gestaltungsmöglichkeiten, wie Fügelänge, Übermaß und Klebstoffsystem auf die Verbindung werden vergleichend bewertet und Vor- und Nachteile der einzelnen Varianten herausgestellt. Ergebnisse aus Berechnungen und Versuchen werden systematisch verglichen und dargestellt. Mit weiterem Nachweis der Praxistauglichkeit der eingesetzten Technologien und wirtschaftlichen Umsetzbarkeit ist eine künftige wirtschaftliche Umsetzung der Technologie möglich.

Abb. 2: Vereinfachte Ersatzstruktur für den Schwingversuch (CAD, FE-Berechnung, Versuch)