Beanspruchungen, Dimensionierung und Prüfung

Hallo zusammen,

Ich bereite ein Long Andrés-Selbstbau Workshop vor und ich mache Änderungen zum Design. Da gibt es was man fast Dimensionierung benennen könnte. D.h. man fragt sich auch, was die Beanspruchungen sind, um dimensionieren zu können.

Später, wenn unser Prototyp gebaut ist, wollen wir ihn auch testen/prüfen, damit ein paar Fehler frühstens korrigiert werden. Dafür brauchen wir Testmethoden, auch hier mit den richtigen Beanspruchungen. Solche Testmethoden gibt es aber schon (aber für normale Fahrräder): ich habe die folgende Norm: ISO 4210 Fahrräder - Sicherheitstechnische Anforderungen an Fahrräder (ersetzt EN 14764). Ich interessiere mich vor allem für Teile 2, 3, 4 und 6. Hier unten gebe ich u.a. meine Sinngebung von dieser Norm in diesem Kontext, in meinen eigenen Wörter, unter den originalen Titeln.

Erstens stelle ich aber eine Frage über Versagungen und Schäden bei Lastenräder, die der Beanspruchungsbestimmung helfen sollte.

Später schreibe ich auch etwas zur Dimensionierung, vor allem bezüglich Unterrohr.

Festgestellte typische Versagungen und Schäden bei Lastenräder

Frage an alle, die (eher selbstgebaute) Lastenräder benutzt haben: Was habt ihr für Versagungen und/oder Schäden festgestellt, wo und nach welchen Beanspruchungen/Situationen? Das kannt ihr hier direkt beantworten (Wiki-Konto an info@werkstatt-lastenrad.de fragen), oder hier diskutieren.

ISO 4210-3 Common test methods

§4.3 Road test on a fully assembled bicycle test methods

Einfach > 1 km fahren, bei zulässigem Gesamtgewicht.

Bemerkung: In EN 14764 (durch ISO 4210 ersetzt), unter Annex C (informative) Structural integrity of the fully assembled bicycle, §C.3 Road test sind ein paar Bedingungen für diese Probefahrt erklärt:

• 5x auf einer 30 m Piste bei 25 km/h (7 m/s)
• auf der Piste: Holzbretter (L x B x H) ?? x 50 x 25 mm, mit 12 mm Fase da, wo die Reifen ankommen
• die Bretter sind jede 2 m gelgt

Annex A (informative): Structural integrity of the fully assembled bicycle

• sollte mit so einer Maschine gemacht werden: [1], [2], [3]
• 8 km/h (±10 %) für 6 h
• keine Komponentversagung oder Dezentrierung erlaubt

kann für uns durch eine Tour oder normale Benutzung von 6 h ersetzt werden!

ISO 4210-4 Braking test methods

...

ISO 4210-6 Frame and fork test methods, §4 Frame test methods

Diese Teste simulieren Beanspruchungen vom Rahmen, die in der normalen Benutzung sowie auch weniger normalen Benutzung des Fahrrad entstehen. Obwohl in solchen Situationen alles dabei ist, inkl. Räder, hier wird der Rahmen ohne Räder getestet.

Es kann sein (wird ganz klar gewarnt), dass der Gabel die Schäden nimmt. Der Gabel wird hier aber nicht getestet, der Rahmen wird getestet. Also man sollte einen stärkeren "dummy fork" (Siehe Annex A (normative) Dummy fork characteristics, hier nicht durchgenommen) nehmen, falls der Ursprüngliche geschadet wird...

Profis, die diese Prüfungen machen

Formulare von EFBE (Nähe Dortmund) mit Preisen: [4], [5]

4.1 to 4.2 Frame — Impact tests

4.1 Frame — Impact test (falling mass)

Hier simuliert man einen frontalen Stoss (z.B. Loch in der Strasse) und die Schäden am Rahmen werden beobachtet.

Der Rahmen ist 90° gedreht, vordere Seite Richtung oben. Die hintere Ausfallenden werden befestigt. Der Stoss erfolgt durch den freien Fall einem 22,5 kg Gewicht auf ein steifes Zeug (aus Metall), das das Vorderrad ersetzt. Fallhöhe variiert zwischen 180 und 360 mm, je nach Kategorie. D.h. eine Energie von ca. 40 bis 80 J. Bei 80 kg Gesamtmasse und 6 m/s hat man ca. 1,5 kJ i.e. 20 bis 40 fach die Energie vom Test. Natürlich wird in der Wirklichkeit ein Rahmen nie so "effizient" Beansprucht.

Hier ein paar Abbildungen: [6], [7], [8]. Hier eine Video: [9].

Anforderungen nach ISO 4210-2: Requirements, §4.8 Frames, 4.8.2 Frame — Impact test (falling mass):

• keine sichtbare Schade erlaubt (crack detection methods Vorschläge nach ISO 4210-2 Requirements: dye-penetrant methods, see ISO 3452‑1 to -4)
• plastische Verformung (Länge zwischen Radachses):
  • mit normalem Gabel < 30 mm
  • mit "dummy fork" < 10 mm

Für ein Lastenrad ist dieses Test ziemlich interessant. Die Stossenergie sollte erhöht werden. Bei 250 kg Gesamtmasse und 5 m/s hat man ca. 3 kJ, also 2 fach die von einem normal geladenen Fahrrad (siehe oben). Aber für uns könnte die getestete Beanspruchung anders getestet werden: gegen einen Bordstein/Randstein (Vorsichtig, Fahrer geschützt aber schnell genug) fahren, mit Last...

4.2 Frame and front fork assembly — Impact test (falling frame)

Rotation um Hinterradachse, Vorne nach oben gehoben und fallen lassen (Fallhöhe der Vorderachse h_2).

Hier ein paar Abbildungen: [10], [11] (mit Text). Hier eine Video: [12].

• Massen, ihre Positionen und Werte für City- und Trekkingräder:
  • M_1 = 50 kg, anstatt Sattel
  • M_2 = 10 kg, anstatt Vorbau/Lenker
  • M_3 = 30 kg, anstatt Tretlager und Kurbelsatz
• Fallhöhe der Vorderachse h_2 = 200 mm für City- und Trekkingräder
• Länge D = 75 mm zwischen Sattelrohr-Rand und Masse 1

Anforderungen nach ISO 4210-2: Requirements, §4.8 Frames, 4.8.3 Frame and front fork assembly — Impact test (falling frame):

• keine sichtbare Schade (crack detection methods Vorschläge nach ISO 4210-2 Requirements: dye-penetrant methods, see ISO 3452‑1 to -4)
• keine Trennung von Teile
• plastische Verformung (Länge zwischen Radachses) < 60 mm

Das ist besonders interessant für Lastenräder: die "direkte Ladefähigkeit" wird somit getestet. Man kann eine Variante von diesem Test (gilt nicht offiziell als ISO 4210) durchführen, mit Vorderrad, ohne Hinterrad, Hinterradachse in einem BikeBench befestigt, und mit den folgenden Parametern:

• Massen M_1, M_2 und M_3 gleich wie ISO 4210 für City- und Trekkingräder: M_1 = 50 kg, M_2 = 10 kg, M_3 = 30 kg
• zusätzliche Masse M_4, Position: Mitte Ladefläche, Masse: entspricht zulässigen Last (z.B. 150 kg)

Grobe Abschätzung der potentiellen Energie:

• City- und Trekkingräder nach ISO 4210:
  • Fallhöhe der Masse 1: ca. 50 mm
  • Fallhöhe der Masse 2: ca. 180 mm
  • Fallhöhe der Masse 3: ca. 100 mm
  • U = 9,81*(0,05*50+0,18*10+0,1*30) = 75 J
• Longjohn nach vorgeschlagener Variante dieser Prüfung:
  • Fallhöhe der Masse 1: ca. 20 mm
  • Fallhöhe der Masse 2: ca. 90 mm
  • Fallhöhe der Masse 3: ca. 50 mm
  • Fallhöhe der Masse 4: ca. 150 mm
  • U = 9,81*(0,02*50+0,09*10+0,05*30+0,15*150) = 250 J

Es wurde mit sehr wenig Sicherheit abgeschätzt, dass diese 250 J einen Last (Biegung, Punktlast) von ca. 15 kN in die Mitte vom Unterrohr entsprechen, also ohne Vorderrad für die Abfederung hält der Unterrohr nicht. Unterrohr sollte bis ca. 2-3 kN halten (Streckgrenze, ohne Sicherheitsfaktor).

4.3 to 4.5 Frame — Fatigue tests

Artikel auf Englisch von Sheldon Brown über diese Prüfungen (in diesem Fall für Rennräder offensichtlich), noch nicht gelesen.

Gemeinsame Methoden und Anforderungen

Gemeinsame Methoden nach ISO 4210-3 Common test methods, §4 Test methods, 4.5 Fatigue test:

• f < 10 Hz
• nach den ersten 1000 Zyklen, Schrauben usw. erneut festziehen

Anforderungen nach ISO 4210-2 Requirements, §4.8 Frames, 4.8.4 to 4.8.6 — Fatigue tests:

• keine sichtbare Schade (crack detection methods Vorschläge nach ISO 4210-2 Requirements: dye-penetrant methods, see ISO 3452‑1 to -4)
• keine Trennung von Teile

4.3 Frame — Fatigue test with pedalling forces

10^5 Zyklen bei 1,0 kN bis 1,2 kN, je nach Fahrradkategorie.

Hier ein paar Abbildungen: [13], Text), [14], [15], [16], (mit Text). Hier ein paar Videos: [17], [18], [19], [20], [21], (nur bis 4:10, dann ist es das vom §4.4)

Dieses Test ist ohne Maschine schwierig durchzuführen. Man könnte genug fahren stattdessen (als Test), aber:

• das gilt natürlich nicht offiziell für ISO 4210
• ähnliche Beanspruchung sind so unmöglich zu garantieren. Da man eher mit 0,5 kN die Pedale belastet, sollte theoretisch das Zyklenzahl erhöht werden: N_f > 10^5 statt 10^5. Wenn das Problem besser gekannt und einfacher wäre, könnte man nach der Theorie von Paris und Erdogan eine Einschätzung von N_f geben, aber das ist hier hoffnungslos. Rein spekulativ schlägt man also N_f = 10^6 vor. D.h. ca. 560 h Pedalen bei 60 1/min: ähnliche Beanspruchung wie nach ISO 4210 undurchführbar (oder dauert sehr lang).

4.4 & 4.5 Frame — Fatigue test with horizontal, resp. vertical forces

4.4 Frame — Fatigue test with horizontal forces

Für City- und Trekking Fahrräder 10^5 Zyklen bei 0,45 kN. Für MTBs 5*10^4 Zyklen bei 1,2 kN nach vorne und 0,6 kN nach hinten.

Hier ein paar Videos: [22], [23], [24]

Für Lastenräder schon interessant, und Kräfte sollten erhöht werden. Auch hier könnte man aber genug fahren stattdessen. Gilt aber natürlich nicht offiziell für ISO 4210 und die Ähnlichkeit der Beanspruchungen ist auch nicht garantiert, ausser wenn man 10^5 kleine Beulen schafft...

4.5 Frame — Fatigue test with a vertical force

5*10^4 Zyklen bei 1,0 kN bis 1,2 kN, je nach Fahrradkategorie.

Hier eine Abbildung: [25]

Für Lastenräder sehr interessant. Eine zusätzliche Kraft muss den Last darstellen. Auch hier könnte man aber genug fahren stattdessen. Gilt aber natürlich nicht offiziell für ISO 4210 und die Ähnlichkeit der Beanspruchungen ist auch nicht garantiert, ausser wenn man 5*10^4 kleine Beulen schafft...