Konstruktion und Simulation

Einleitung

In diesem Artikel sollen Möglichkeiten erläutert werden, die Fahreigenschaften und Sicherheit von Lastenrädern mit vorne liegender Ladefläche (Long John, Long Andre) durch höhere Rahmensteifigkeit zu verbessern.

Bedingt durch die große Rahmenlänge sind diese Fahrräder empfindlich für Verformungen durch Durchbiegung und Torsion. Des Weiteren sind die gebogenen Lenkstangen leicht verformbar, was zu einem "schwammigen" Lenkverhalten führt. In vielen Konstruktionen sind an verschiedenen Stellen Verstärkungsbleche vorgesehen, um diese Effekte zu verringern. In diesem Kapitel werden die verschiedenen Möglichkeiten mit Hilfe von Computersimulationen (FE-Simulation) systematisch untersucht und verglichen.

Problembeschreibung

Die größten Verformungen treten durch folgende Belastungen auf:

Biegebelastung

Torsionsbelastung

Verformung der Lenkstange

Biegung

Sowohl die Zuladung als auch die Gewichtskraft des Fahrers oder der Fahrerin führen zu einer Biegebelastung des Rahmens, bei der Fahrt durch Schlaglöcher wird die Belastung noch verstärkt. Diese Belastung führt zu einer Durchbiegung des Rahmens und kann ggf. zu einer ungewollten Eigenlenkung des Lastenrades führen.

Eigenlenkung

Die Durchbiegung aufgrund der Gewichtskräfte führt zu einer Verschiebung der Vorderradgabel nach vorne (der Radstand vergrößert sich). Oftmals wird die Vorderradgabel nur einseitig von der Lenkstange gehalten, die Verschiebung der Vorderradgabel führt dann zu einer ungewollten Lenkbewegung: Bei einer einseitigen Lenkstange auf der rechten Seite führt also die Durchbiegung z.B. bei der Fahrt durch ein Schlagloch zu einem ungewollten Lenkausschlag nach rechts. Ein umgekehrter Effekt tritt auf, wenn stark mit dem Vorderrad gebremst wird, nun wird die Gabel nach hinten verschoben (Radstand wird verkürzt). Eine einseitige Lenkstange auf der rechten Seite führt also beim Bremsen zu einem ungewollten Lenkausschlag nach links.

Torsion

Eine Torsionsbelastung tritt auf, wenn Kräfte seitlich am Vorderrad wirken. Diese Kräfte entstehen insbesondere bei schnellen Richtungswechsel (z.B. beim Ausweichen eines Hindernisses.) oder durch Fliehkräfte bei einer Kurvenfahrt. Die Torsionsbelastung führt zu einer Verdrehung des Rahmens und damit zu einer ungenauen Lenkung, das Fahrverhalten fühlt sich "schwammig" an.

Lenkung

Die meisten Lastenräder sind mit einer starren Lenkstange ausgestattet, Lenksysteme mit Seilzuglenkung werden hier deswegen nicht betrachtet. Bei der Lenkstange handelt es sich oft um ein gebogenes Rohr mit Gelenkköpfen oder Gabeln an den Enden. Ein solches Bauteil wird in der Festigkeitslehre als "Pendelstütze" bezeichnet, die Wirklinie der Kraft verläuft hierbei immer gerade zwischen den Gelenkköpfen. Aus Sicht der Bauteilfestigkeit wäre ein gerades Rohr die stabilste Variante für eine Lenkstange, jedoch muss die Lenkstange gebogen sein um beim Lenken nicht mit dem Vorderrad zu kollidieren. Eine gebogene Pendelstütze hat jedoch nur eine geringe Steifigkeit, lässt sich leicht verformen. Die leichte Verformbarkeit der Lenkstange führt zu einem "schwammigen" Lenkverhalten.

Vorgehensweise

Um verschiedene Konstruktionsvarianten zu vergleichen werden hier Computersimulationen verwendet. Die sogenannte Finite Elemente Methode (FEM-Simulation) ist für komplizierte Strukturmechanische Berechnungen das Mittel der Wahl und liefert bei korrekter Anwendung sehr genaue Ergebnisse. Für die hier durchgeführten Berechnungen wurde das Programm "Autodesk Fusion 360" verwendet, dieses bietet einen professionellen Funktionsumfang und ist für Privatanwender kostenlos verfügbar.

Simulationsmodell

Für die Berechnung werden zwei Modelle genutzt, ein Simulationsmodell für die Berechnung der Biege- und Torsionsbelastung des Rahmens und ein Simulationsmodell zur Berechnung der Lenkstange:

Biegebelastung

Verformung der Lenkstange

Simulationsmodell Rahmen

Um die Berechnung zu vereinfachen wird das 3D-Modell eines Lastenradrahmens stark vereinfacht. Komplizierte Komponenten wie Räder, Lenkung etc. würden die Berechnung unnötig aufwendiger machen und werden daher weggelassen. Der hintere Teil des Rahmens wird nicht mit berechnet; er wird für alle Konstruktionsvarianten als identisch angenommen und kann daher ebenfalls ausgeblendet werden. Auf diese Weise wird die erforderliche Rechenleistung stark reduziert und die Ergebnisse sind trotzdem ausreichend genau.

Die auftretenden Kräfte werden über das vordere Lenkrohr eingeleitet, die Fixierung in der Simulation erfolgt über das Tretlager und das hintere, lange Lenkrohr.

Simulationsmodell Lenkstange

Das Simulationsmodell für die Lenkstange ist ein einfaches, gebogenes Rohr. Details wie Gelenk- oder Gabelköpfe werden ausgeblendet um die Simulation zu vereinfachen.

Die Krafteinleitung erfolgt am vorderen Ende, die Wirkrichtung der Kraft entspricht hierbei der Verbindungslinie von vorderer und hinterer Aufhängung. Die Fixierung erfolgt am hinteren Ende.

Ergebnisse

t.b.d.