Entwicklung von Fahrradtretkurbelsystemen mittels additiver Fertigung

Zusammenfassung

Im Rahmen dieses Beitrags werden eine überlange Tretkurbel und, zur besseren Vergleichbarkeit der Ausnutzung des Leichtbaupotentials, eine Tretkurbel mit Standardlänge festigkeits- und leichtbauoptimiert konstruiert und ausgelegt. Darüber hinaus wird, zur weiteren Reduktion der Fahrradgesamtmasse und um ein vollständiges Fahrradtretkurbelsystem zu erhalten, abschließend eine Fünfstern-Tretkurbel entwickelt. Die Konstruktion und Auslegung erfolgt für alle drei Bauteile nach der Norm DIN EN ISO 4210 unter Berücksichtigung der verfahrensspezifischen Vorteile des selektiven Laserstrahlschmelzens. Dabei werden verschiedene Querschnittsgeometrien für die überlange Tretkurbel entwickelt und im Nachgang mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode numerisch simuliert und analysiert. Mittels der Analyse werden der Festigkeits- und Dauerfestigkeitsnachweis durchgeführt Als Werkstoff wird die hochfeste Titanaluminiumlegierung TiAl6V4 verwendet, die hohe mechanische Kennwerte bei gleichzeitig mittlerer Dichte aufweist.

Mit Hilfe des Topologie-Optimierungstools TOSCA, der Parametrisierung und der im Anschluss folgenden Detailoptimierung werden eine linke Tretkurbel und eine rechte Tretkurbel mit Fünfstern in einer Standardlänge von 175 mm zur Bewertung der Ausnutzung des Leichtbaupotentials und auf Basis der oben genannten Norm festigkeits- und leichtbauoptimiert entwickelt. Grundlage sind auch hier die mechanischen Überlegungen in Bezug auf die Belastungssituation und die entsprechende Beanspruchung, die durch die Darstellung von Kraftflusslinien visualisiert wird. Abschließend erfolgt ein Massenvergleich mit handelsüblichen Tretkurbelsystemen verschiedener Materialien zur Bewertung der Ausnutzung des Leichtbaupotentials.