Forschung und Entwicklung

Entwicklung der neuartigen CONCAVE Felge für Systemlaufräder
Aufgabe des Vorhabens war die Entwicklung von neuartigen Hochleistungs-Speichen-Fahrradlaufrädern, die bezüglich Festigkeit und Leichtigkeit auf dem Markt eine herausragende Stellung einnehmen bei gleichzeitig vereinfachter und damit preiswerterer Fertigung. Bei hochwertigen Fahrradlaufrädern mit aus aerodynamischen Gründen stark reduzierten Speichenzahlen stellt die Verbindung zwischen Speichen und Felge ein wesentliches konstruktives Problem dar.

Kernstück der in diesem Vorhaben entwickelten Konstruktion stellt ein neuartiges bereits patentiertes Felgenprofil dar, dessen wesentliches Stabilitätsmerkmal in einer Gewölbestruktur am Boden des Profils besteht. Mittels computergestützter Belastungsanalysen (Abb. 1) konnte das Profil durch Identifizierung statischer Schwachpunkte iterativ optimiert werden. Damit kann eine leichte und hochbelastbare Speichen-Felgen-Verbindung mit minimalem Aufwand hergestellt werden.
Abbildung 1: FEM-Analyse der bei Belastung auftretenden Spannungen

Abb. 2 zeigt das nach Abschluss der Werkzeugentwicklung stranggepresste und gebogene Felgenprofil im Querschnitt mit eingehängter Speiche. Die Labor- und Praxistests, denen die gefertigten Prototypen unterzogen wurden, ergaben um bis zu 50 % höhere Dauerfestigkeiten bei 20 % Gewichtsersparnis.
Abbildung 2: Stranggepresstes und gebogenes Felgenprofil

Durch metallurgische Untersuchungen und vergleichende Festigkeits-untersuchungen konnte ein optimales Wärmeauslagerungsverfahren für die Felgenrohlinge gefunden werden. Die im metallographischen Bild (Abb. 3 oben) sichtbaren verstärkten feinen Ausscheidungen des Metalls bei optimierter Wärmebehandlung gegenüber dem Standardverfahren korreliert mit einer erhöhten Festigkeit im Zugversuch mit bis zu 300 N/mm² (Abb. 3 unten).

Abbildung 3: oben links: Metallographisches Bild der optimal wärmebehandelten Aluminiumlegierung (A02) mit vermehrten Ausscheidungen an den Korngrenzen im Vergleich zur Standardbehandlung oben rechts (02, Ätzung nach Keller). Darunter die mit diesem Befund korrelierenden Festigkeiten im Zugversuch.

Nach konstruktiven Optimierungen im Bereich des Felgenbettes nach umfassenden Maximalfestigkeits- und Dauerfestigkeitsuntersuchungen der kompletten Laufräder, konnte die Dauerfestigkeit um weitere 20 % erhöht werden. Damit konnte die geplante Produktentwicklung abgeschlossen werden.
Mit dem erfolgreichen Abschluss der Einrichtung der auf das neue Produkt angepassten Steckverbindungsvorrichtung für die verschiedenen Felgenprofile, die Anpassung der Nabenfertigung unter Einbeziehung einer speziellen, patentierten Modulbauweise sowie die Anpassung der Vorrichtungen zur Montage und zum Zentrieren der neuen Profile besteht die Möglichkeit einer Serienfertigung.

Als weiteres wesentliches Ergebnis ist die erfolgreiche Entwicklung neuartiger Rennradsystemlaufradsätze zu nennen, die unter Anwendung einer zum Patent angemeldeten Carbon-Aluminium-Verbundtechnik zur Herstellung extrem leichter Komposite-Felgen, erfolgte. Durch experimentelle Versuche auf Grundlage der bereits erarbeiteten FEM-Analysen wurde ein Prototyp erstellt. Hierbei erfolgt die Verstärkung eines Alumiumprofilgerüstes mit einer verstärkenden Carbonhülle unter Verwendung eines Hartschaumkernes. Zur Herstellung dieser neuartigen Felgen wurde ein spezieller Fertigungsprozess bezüglich der Verbundtechnik entwickelt.

Abb. 4 zeigt die erstellte Prototypen-Form.

Nach Ausführung der nötigen Klebevorrichtungen und weiterer Optimierung der Vorrichtungen für den Zusammenbau der Komponenten ist somit die Fertigungsmöglichkeit des projektierten Komposite-Felgen-Systemlaufradsatzes geschaffen worden. Nach erfolgreichem Abschluss des Vorhabens liegen nun mit den neuen Trekking- und MTB-Laufrädern mit Gewölbestruktur-Felgen sowie den Straßen-Laufradsätzen mit Carbon-Aluminium-Komposite-Felgen neue innovative Produkte vor. Durch Schaffung der notwendigen Produktionsvorrichtungen, insbesondere die Entwicklung einer eigenen Felgenfertigung und die Entwicklung eines Verfahrens zur Verbindung von Carbon und Aluminiumteilen, besteht nunmehr die Produktionsmöglichkeit der neu konzipierten Systemlaufradsätze.
Abbildung 4: Beheizbare Form zur Herstellung der Komposite-Felgen

Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Ministeriums für Wirtschaft des Landes Brandenburg und der EU gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt der Veröffentlichung liegt beim Autor.