Die Physik eines Rahmens - BLL

[DerMatze]

Nächste Frage an unsere Physik-Gurus hier:
Also ich gehe beim Grundgerüst meines Rahmens zunächst mal von einer Konstruktion aus völlig gleichmäßigen Rohren z.B. aus Carbon aus.
Wie kann ich nun berechnen (grob wie gesagt ohne die kleinsten kleinigkeiten, aber schon so, dass der rahmen einen in den meisten situationen der wirklichkeit aushalten würde) wie stark ein solches rohr belastet werden kann ohne zu brechen, dauerhaft in verbogenem zustand zu verweilen oder sich sonst irgendwie negativ zu verändern?

Das hängt ja sicherlich ab vom:
- Radius des Rohrs
- Wandstärke
- Einer Materialkonstanten
- Dem Angriffspunkt der Belastung

aber in welchem zusammenhang stehen diese größen?

 

[Rölle]

Ich glaube, das solltest du besser selbst rauskriegen. Darum gehts ja schließlich. Außerdem würde das hier einige Seiten füllen .
Hol dir die entsperchende Lektüre, andere verbringen ein paar Semester damit, das Zeugs zu kapieren.

 

[Hugo]

ich gehör zu denen die sich damit grad n semester lang beschäftigen, und was soll ich sagen

kommt ganz drauf an was du berechnen willst...einfach nur zugfestigkeit? durchbiegung?
vielleicht auch neigung?
davon is keines ne kleinigkeit....brauchst letztlich alles umk zuverlässig sagen zu können obs hält oder nicht
wieso solls eigentlich carbon sein?
stahl is für deine zwecke wohl am besten geeignet weils da am einfachsten is die materialkonstanten in erfahrung zu bringen(gibt mehr als eine)
gibt nicht einfach eine sorte "carbon" und damit hat sich der fall...bei alu isses zwar schon einfacher aber immer noch sehr unterschiedlich...beim stahl isses noch halbwegs einfach

naja....emofehlen kann ich für die zwecke "Technische Mechanik Band2 Elastostatik" aus dem springer verlag....aber prinzipiell kannste jedes buch über das thema nehmen

ach...und ne ich arbeite nicht da, ich fahr halt eins...udn bevors wieder heisst:"ja klar weil ich das hab find ichs am besten" hab ichs halt gleich geschrieben...

wirst vermutlich auch nix bekommen...was sollen sie dir da schicken?
die messergebnisse werden sie nicht rausrücken und über ihr labor werden sie auch nicht zu viel rausrücken....
seh ma zu dass du auf n event kommst wo rotwild n stand hat...die haben meistens ihr rcc01-testbike mit den DMS drauf....davon kannste n bild machen und einen von den leute vor ort ansprechen die sollen dir was zu dem ding erzählen....is sogar richtig interessant

 

[DerMatze]

tja, dann werd ich demnächst mal den bleistift spitzen und anfangen, aber das hat auch noch zeit.

nunja, ich hab mehrere firmen angesprochen - vielleicht nicht alle so anspruchsvoll wie rotwild - aber eine hat mir wenigstens kurz mit ner buchempfehlung geantwortet. ich finde es gehört sich auch, zumindest zu antworten, dass man nix hat. schließlich könnte es sich bei leuten wie mir ja theoretisch um den potenziellen nachwuchs in diesem gebiet handeln, und ich denke es wäre es schon wert, solche bemühungen zu fördern.

 

[DerMatze]

achso....

Original geschrieben von Hugo
wieso solls eigentlich carbon sein?

ich dachte daran, einen monocoque-rahmen zu bauen, der im prinzip aus zwei gekreuzten rohren besteht. die werden dann nach "intensiven berechnungen" so dick/dünn/lang/kurz sein, dass sie als fahrrad dienen könnten.
da so zwei rohre aber von natur aus kagge aussehen, hätte ich dann in einem letzten schritt, sozusagen, die karosserie nun wie soll ich sagen "drumherumgebaut".
und da dachte ich halt an carbon
1. wegen der festigkeit, weil ich davon ausging, dass stahl, alu, etc. einfach zu leicht verbiegbar ist, dafür, dass sämtliche lasten wie gesagt nur noch auf zwei größtenteils freischwebenden rohren liegen und
2. wegen der guten modelierbarkeit für die spätere form.

jetzt seh ich hier aber grad nen monocoque-rahmen aus titan - haltet ihr evtl. titan für empfehlenswert?

 

[CHT]

...ich bin ein wenig irritiert, was ihr eigentlich vorhabt?...denn glaubt mir, Physiker gehen ein solches Problem ganz anders an - die sind nämlich recht faul, und machen sich mehr Gedanken über den Lösungsansatz und der Systematik als über die eigentliche Umsetzung...
Daher @DerMatze:
1) Schreib doch erstmal Dein Inhaltsverzeichnis auf und stell es uns hier vor, mit den Punkten, die Dir von der Systematik her wichtig erscheinen
2) Sei Dir vorab im klaren, was die wesentlichen Punkten sind:
a)z.B. Material (Stahl, Aluminium, Titan, Carbon,...)...stell dabei die physikalischen Eigenschaften heraus (du glaubst, dass sei easy - ich nicht!!!)...warum gibt's keine Beryllium-Rahmen???
b) was ist mit der Geometrie der Rohre, warum rund, nicht eckig oder T-förmig? warum bestimmte Rohrdicken-Formen (Konifizierungen)? Warum andere Durchmesser bei unterschiedlichen Materialien?
c) Fügetechniken: WIG-Schweißen, (Silber-)Löten, Laserschweißen, im Muffen kleben - welchen Klebstoff, warum?, etc., warum anschließend Temperaturbehandlungen?
d) Design des Rahmen, warum Diamantform für Hardtail, dafür die auftretenden Kräfte und Momente darstellen!
d1) Welche Längen und Winkel beeinflussen welche Fahreigenschaften, warum?
3) Nach der Theorie die Praxis: ich glaube nicht daran, dass Du ohne Finite-Element-Analysis (3D-Version wie CATIA oder MSC-NASTRAN, Kostenpunkt: ab 20000Euro nur für Software), eine echte Chance hast...aber mach doch einfach einen kurzen Fragenkatalog (3 bis 5Fragen) an Firmen, wie etwa oder anders
i) Welches Material, warum?
ii) Welche Form, warum?
iii) Welche Fügetechnik, warum?
iv) Welche Fahreigenschaften, wie komfortabel, sportlich gestreckt, warum?

4) Noch ein Tipp, ich würd' mich nicht in komplexe Sachen verzetteln, halt' den Ball flach...denn Du brauchst nicht das Rad neu erfinden und auch keinen Nobelpreis gewinnen, obwohl wir uns das alle wünschen...

 

[Hugo]

naja...ganz so schwarz seh ich die sache nicht....vor 10 jahren gabs noch kein catia..oder vielleicht gabs das schon, aber dann in der version 1.xx und da war noch nicht viel mit fem zumal die rechenleistung noch nicht da war, und damals konnte man auch schon bikes und noch viel kompliziertere teile baun

was die sache mit der antwort angeht....als potentieller nachwuchskonstrukteuer haben firmen kein interessen....kannst wieder kommen wenn du dein diplom hast, oder wenn du n praktikum machen willst....wirklich interessant biste nur dann wenn du n rahmen kaufen willst

naja...nichts desto trotz bin ich immer noch sehr skeptisch was die sache angeht

ich würd an deiner stelle erstma die carbon-monocoque sache ganz schnell vergessen...du meinst dass lässt sich so schön biegen und machen, aber wenn du das teil so geil konstruierst darfste auch die entsprechenden berechnungen anstellen....glaub mir einfach wenn ich dir sag dass du und deine lehrer sich schon die zähne an kreisrunden stahlrohren ausbeissen werden(ich geh ma davon aus dass da kein mechaniker dabei is)

nimm einfach runde rohre....da findest du jede menge literatur die du auch anwenden kannst ohne alles nachvollziehn zu können....wenn du jetz mit carbon ankommst, und dann entsprechende "rohre" und verbindungsstellen hast wirste kein land mehr sehn

nimm n normalen diamantrahmen aus nem normalen stahl oder alu und lass die andern materialien aussen vor...kannste immer noch als nachwuchskunstrukteuer bearbeiten

 

[Rölle]

Original geschrieben von Hugo
naja...ganz so schwarz seh ich die sache nicht....vor 10 jahren gabs noch kein catia..oder vielleicht gabs das schon, aber dann in der version 1.xx und da war noch nicht viel mit fem zumal die rechenleistung noch nicht da war, und damals konnte man auch schon bikes und noch viel kompliziertere teile baun

FEM gibt es schon sehr viel länger, nur nicht in der heutigen Version. An den Unis wurde da schon in den 70ern großer Aufwand betrieben.
Die alten Diamantrahmen sind meines Wissens v.a. durch stetiges Optimieren ohne Berechnung ausgelegt worden, einfach Try-and-Error. Wie gesagt: Heute sind die Rohrsätze von Easton und Co. alle schon fertig dimensioniert. Für einen Diamantrahmen muß da keine Firma was rechnen. Bei Variationen siehts schon anders aus.

Original geschrieben von Hugo
naja...nichts desto trotz bin ich immer noch sehr skeptisch was die sache angeht

Tut mir ja leid, sehe ich aber ähnlich. Weniger ist manchmal mehr.

Original geschrieben von Hugo
nimm n normalen diamantrahmen ...

Das ist meiner Meinung nach schon viel zu aufwendig. Je weniger Rohre, desto einfacher.

 

[DerMatze]

Original geschrieben von Rölle

Das ist meiner Meinung nach schon viel zu aufwendig. Je weniger Rohre, desto einfacher.

genau das hab ich mir auch gedacht. ich hab jetzt nen ungefähren plan von nem rahmen, der auch mit einfachen rohren zu bauen ist. und die bestehen dann halt aus irgend nem metal - der festigkeit halber wohl aus titan, aber das werd ich dann entscheiden, wenn ich weiß, was das teil aushalten muss.

 

[Maddin]

Hi,

also ich finde auch, Du solltest hier Dich ziemlich auf einige triviale Sachen beschränken. Die sind immer noch kompliziert genug.
Wenn Du wirklich alles das machen wolltest was Du hier angeführt hast, würdest Du kaum um ein Maschinenbaustudium rumm kommen.

Fang doch erstmal klein an und berechne für deinen Kreuzrahmen die statischen Kräfte, wenn sich einer einfach draufsetzt. Das ist erstmal ein Anfang, relativ leicht und dannach kann man ja erst komplizierter werden.
Dazu brauchst Du Technische Mechanik I Statik. Kannst eigentlich jedes Lehrbuch darüber nehmen. Nur das Lernen musst Du schon selbst, das kann Dir keiner abnehmen. Wir schreiben ja nicht deine Arbeit

Wenn Du diese erste Hürde genommen hast, kann man Dir auch dann weiterhelfen. Ich habe hier das eine Buch von. Dr. Eric Groß liegen in dem Messwerte aufgeführt sind.

Also schrittweise an die Lösung ranntasten. Gleich an ne komplizierte Lösung (z.B. Kohlefaserrahmen) gibt nur Frust und es kommt nix bei raus.

Das ist meine Meinung wie ich das anstellen würde an deiner Stelle.

Cya Maddin

 

[DerMatze]

Original geschrieben von Maddin
Nur das Lernen musst Du schon selbst, das kann Dir keiner abnehmen. Wir schreiben ja nicht deine Arbeit

Das hat ich auch nicht beabsichtigt. mich hatten zB die formeln erstma nur interessiert, um mir über die abhängigkeiten klar zu werden. is besser, wenn man das vor dem planen eines rahmens weiß.

aber ich sehe schon, ich habs hier mit vernünftigen und sachkundigen leuten zu tun

 

[Maggi*tm]

Hi Matze,

ich habe den bisherigen Thread mit einigem Schmuntzeln mitgelesen. Den meisten meiner Vorredner muss ich voll und ganz Recht geben: die Berechnung eines Fahrradrahmens ist alles andere als trivial, insbesondere bei den heutigen Leichtbaukonstruktionen.
Imho ist selbst die grobe und sehr überschlägige Berechnung eines Diamantrahmen durch dich von vorn herein zum Scheitern verurteilt, weil du die benötigten Grundlagen innerhalb eines knappen Jahres (oder noch weniger Zeit) nicht erlernen kannst und wohl auch nicht erlernen willst. Glaube mir, Technische Mechanik lernt man nicht gerne aus Eigeninitiative, vielmehr brauchst du dazu einen Professor mit einer dicken Eisenstange. Die Eisenstange ist dann allerdings nicht als Anschuungsobjekt gedacht, sondern zum Reinprügeln des Stoffs .
Vor nicht allzu langer Zeit habe ich einen Vortrag mit dem Thema "Fahrradrahmengeometrie" beigewohnt. Der Vortragende hat sich bei seinem Thema völlig von der eher trockenen und abstrakten Festigkeitsproblematik gelöst und hat sein Hauptaugenmerk auf die Zusammenhänge von Rahmengeometrie und Fahrverhalten gerichtet. Dieses Thema ist weitaus verständlicher und es benötigt nicht im Mindesten den riesigen Berg an Grundwissen. Nichts desto trotz kann man daraus eine sehr interessante Hausarbeit stricken und z.B nach dem Beschreiben der Hauptaspekte eines Rahmens einen speziellen Anwendungsfall (Rennrad, Mtb, BMX) herausgreifen und eine optimale Lösung der Geometrie erarbeiten.
Denk mal darüber nach....

 

[DerMatze]

mag sein,dass ich mich irre, aber mir erscheint es doch wesentlich abstrakter und mathematisch schwieriger zu fassen, sich mit fahrreigenschaften auseinanderzusetzen, als mit der reinen konstruktions-geometrie und - physik.
fahreigenschaften sind doch nicht einfach berechenbar sondern das bedarf doch schlicht einer menge an erfahrungswerten, oder sehe ich das falsch?

würde mich mal interessieren, was du dazu sagst, da ich ja wie gesagt nicht sehr fachkundig bin.

 

[Rölle]

Original geschrieben von Maggi*tm
Imho ist selbst die grobe und sehr überschlägige Berechnung eines Diamantrahmen durch dich von vorn herein zum Scheitern verurteilt, weil du die benötigten Grundlagen innerhalb eines knappen Jahres (oder noch weniger Zeit) nicht erlernen kannst und wohl auch nicht erlernen willst. Glaube mir, Technische Mechanik lernt man nicht gerne aus Eigeninitiative, vielmehr brauchst du dazu einen Professor mit einer dicken Eisenstange. Die Eisenstange ist dann allerdings nicht als Anschuungsobjekt gedacht, sondern zum Reinprügeln des Stoffs

Ich wollte es nicht so scharf formulieren ...

... aber ich halte den Vorschlag mit den Fahreigenschaften auch für besser.

 

[Rölle]

Mal komplett offtopic:

Was bedeutet eigentlich "Imho"??? Das gibts in meinem Wortschatz (noch) nicht, aber scheint ja sone Art Standardvokabel zu sein.

@Maggi*tm: Luftfahrergruß nach Hamburg!

 

[CHT]

@Rölle:
...jetzt alles klaro:
IMHO // abbrev. [from SF fandom via Usenet; abbreviation for `In My Humble Opinion'] "IMHO, mixed-case C names should be avoided, as mistyping something in the wrong case can cause hard-to-detect errors -- and they look too Pascalish anyhow." Also seen in variant forms such as IMNSHO (In My Not-So-Humble Opinion) and IMAO (In My Arrogant Opinion).

also frei übersetzt IMHO = meiner Meinung nach ...

 

[Hugo]

die idee mit den fahreigenschaften find ich auch sehr gut....man kann ner gewissen geometrie einfach gewissen eigenschaften zu schreiben und diese relativ leicht bildlich darstellen.....dürfte interessanter und vor allem viel einfacher sein als die statik des rahmens zu berechnen

 

[CHT]

...aber das Thema heisst 'Physik des Rahmens' und es soll 'wissenschaftlich gearbeitet' werden...also eine Arbeit im Fach Physik...also, um nicht das Thema zu verfehlen, würde ich mich erstmal an die Aufgabenstellung halten...frag' notfalls Deinen Lehrer, was er sich da so vorstellt oder besser lege ihm Dein Inhaltsverzeichnis / Vorgehensweise dar, dann wirst Du sehen, was er dazu für ein Gesicht macht...ich bin mir sicher, ein Physiklehrer will in der Arbeit recht wenig von Fahreigenschaften lesen!!!

 

[Maggi*tm]

Ich bin sogar der Meinung, dass das Thema Fahrphysik weit näher im Verständnisbereich eines Physiklehrers angesiedelt ist, als Leichtbaukonstruktion!
Ferner ist der Lerneffekt bei der Betrachtung einer Fahrradrahmenkonstruktion in Drei-Pixel-Auflösung recht bescheiden.
Deshalb plädiere ich nochmals für das Aufgreifen der Fahrpysikthematik. In wie weit bei der Bearbeitung dieses Themas auf Gewichtsaspekte respektive der damit zusammenhängenden Festigkeitsdiskussionen eingegangen wird, bleibt dem Matze dann ja überlassen. Zumindest hat er aber einen thematischen Rettungsanker, den er werfen kann, sobald erkennbar wird, dass die ganze konstruktive Seite für ihn kaum greifbar sein wird.
@Matze: Versteh mich bitte nicht falsch mit meiner harschen Kritik an deinen Fähigkeiten, aber ich möchte dir auf diese direkte Weise nur deine Grenzen aufzeigen und dir im Gegenzug eine Alternative anbieten, die du am Ende mit einem Erfolgserlebnis abschliessen kannst. Falls du dann immer noch Spass an der Materie haben solltest, so wäre ein Studium in Richtung Maschinenbau etc sicherlich keine verkehrte entscheidung.
Apropos, ich dachte damals auch, mit Mathe- und Physikleistungskurs wäre ich der Hecht im Karpfenteich an der Uni. Der Lk-Mathe-Stoff aus zwei Schuljahren wurde dann mal eben in einer Vorlesung wie das kleine Einmaleins abgehakt. Danach ging dann die richtige Mathematik los und meine Ohren wurden ganz schön rot...

@Rölle: nette Gee Bee R-1 haste da in deinem Profil parat...

 

[Hugo]

also das was bis jetz beschrieben wurde geht von der mechanik(statik) hin zu werkstoffkunde(eigentlich chemie-physik-mittelding)

ob das jetz mehr mit physik zu tun hat als die fahrphysik.....wenn der lehrer die statik haben wollte dann hätt ers gesagt

sehs genauso wie maggi

hatte auch 15 punkte in physik...trotzdem würd ich mir mom nicht selbst zu traun die stabilität eines carbon-monocoque-leichtbaurahmens zu berechnen...und eigentlich bin ich in TM ga nich schlecht

und das is ja net nur tm...da kommen dann noch so sachen wie wekstoffkunde, verarbeitungstechnik und thermodynamik dazu.....is ja nicht so dass ne schweissnaht so viel aushält wie`n gegossenes oder geschmiedetes teil...das gleiche haste auach bei faserverbundstoffen....nicht jede fasrer nimmt das gleiche an kraft auf und und und......gibt nicht umsonst hochbezahlte fachkräfte die sich mit som zeug beschäftigen...wenn das jeder 11-klässer könnt dann wärn viele bikes billiger

 

[DerMatze]

Original geschrieben von Hugo
wenn der lehrer die statik haben wollte dann hätt ers gesagt

nur um das klarzustellen - der lehrer will gar nix. ich hab mir das thema selbst ausgesucht.

das problem bei den fahreigenschaften ist, dass sie mich nicht so 100% interessieren.

aber zu meinem eigentlichen vorhaben, nämlich der planung eines rahmens:
ich hab mal ein bisschen ge-photoshopt und hab das mal zur verdeutlichung meiner vorstellungen retuschiert:

ich weiß nicht, aber ich kann mir beim besten willen nicht vorstellen, dass die berechnung der erfoderlichen wanddicken etc. (bei einigen vereinfachenden annahmen) wirklich so schwer sein soll.

 

[Hugo]

da bleibt mir nur eins zu sagen:
viel spass

 

[DerMatze]

ähm kleine zwischenfrage:
angenommen, ich wollte keinen rahmen sondern eine neue 3 oder 4 speichen felge konzipieren. haltet ihr das für eine lösbarere aufgabe?

 

[feuersturm]

öhm kann man sich nicht ne ganze menge an konstruktionsgemüll sparen indem man einfach das vordere rahmendreieck von nem hardtail nimmt und "einfach" sich nen stabilen hinterbau konstruiert und ne dämpferaufnahme per cad macht und das dann halt alles zusammenschweisst...

die stabilitätsprüfung...kommste natürlich nicht drumrum, aber machen denn die leute die an ihrem auto durchrostete teile ersetzen (auch viel schweissen) auch stabilitätsproben??
NÖ!
die schweissen einfach monsternähte und das hält dann. wenn man das beim bike auch alles ein bischen oversized macht müsste das eigentlich halten...

ober jetzt jedoch z.b. das unter von nem chaka firestorm dafür ausgelegt ist die kräfte vonnem dämpfer aufzunehmen weiss man natürlich nicht, so wie das rohr allerdings aussieht ist das ziemlich stabil...

wenn ich mein 04er autocad hab gehts mal los...

ist autocad schwer zu lernen?

gruß, alex

 

[Floh]

My not so humble opinion:

Lass die Finger davon. Ich bin zwar nicht der Ansicht, dass man alles FEM-berechnen muss, weil man sich die grundlegenden Lastfälle und Lastmaxima auch durch Überlegung erarbeiten kann, wenn man weiss wie die Belastungen sind und wie sich Rohre im Allgemeinen verhalten, aber trotzdem sind allein die Lastfälle schon ein Thema für sich, denn daran scheiden sich die Geister auch bei der FEM:
Ein Computer funktioniert nach dem Prinzip "Garbage in- garbage out". Kennst Du Deine Randbedingungen nicht genau genug, dann kriegst Du Mist raus. Die eigentliche Mathematik hinter der FEM ist nicht das Problem, sondern das richtige (den realen Bedingungen entsprechende) Festlegen der Randbedingungen.
Und davon gibt es soooo viele. Wo hört Dein Rahmen auf ? An der Gabel, an den Achsen der Räder, am Lenkkopf ? Was für eine Verbindung besteht zwischen den einzelnen Teilen: Fest, reibschlüssig, mit Freiheitsgraden?

Ein Diamantrahmen ist das stabilste, was es so gibt, trivial betrachtet, denn er besteht wie ein gutes Fachwerk aus Dreiecken, zumindest fast. Und das macht ihn so stabil. Aber einfach zu rechnen ist sowas deswegen nicht unbedingt. "Offene" Rahmenkonstruktionen wie Y-Rahmen (Specialized et al) oder Eingelenk-Fullyrahmen sind da noch komplizierter, aber deswegen nicht unbedingt besser.

Nur zur Info: Fahrradrahmen, wenn sie stabil sein sollen, werden nicht nach Festigkeit, sondern nach Verformung gerechnet- was bringt einem ein Rahmen, der zwar hält, aber wackelt wie ein Lämmerschwanz ?? Und Verformung ist im wesentlichen eine Funktion des E-moduls des Werkstoffs und des Widerstandsmomentes der einzelnen Rohre in Belastungsrichtung. Und der Rohrlänge, und und und...

Und beim Fahrrad kommen so viele Sachen zusammen:
- Trittkräfte, Masse des Fahrers (steht er in den Pedalen, vielleicht sogar im Wiegetritt, oder sitzt er auf dem Sattel ? Wie ist die Last auf dem Lenker?)
- Stösse im Betrieb durch Unebenheiten des Untergrunds, Sprünge, etc.
- Torsionsbelastungen und Biegebelastungen durch Bremsen, Kurvenfahrt, Gewichtsverlagerung...
- und noch viele Dinge die ich hier bestimmt vergessen habe.

Solltest Du nicht verstanden haben, wovon ich rede, dann finde Dich damit ab dass es wohl ein Grundstudium Maschbau braucht, um das zu tun- ich habe mein Diplom seit einigen Jahren und kann mich noch erinnern dass ich das alles in der Schule auch schon wissen wollte, aber das ist einfach unrealistisch.
Sicher kannst Du irgendeine Arbeit schreiben, aber das wäre so fern der Realität, dass es mir an Deiner Stelle zu billig vorkäme.

Vorschlag zur Güte: Befasse Dich mal mit Belastungen, die an einem Fahrrad auftreten. Dazu gibt es ganz gute Untersuchungen, und je nachdem wo Du her kommst kannst Du Dir vielleicht vor Ort ein paar Sachen anschauen.
Ich würde mich nur unter Anleitung an eine Rahmenkonstruktion wagen- schalt mal ein paar Gänge zurück.