Welche Belastungen an DH-Pedalen: Projektarbeit

[2und4zig]

Hallo, ich könnt mal eure Hilfe gebrauchen!

Ich befinde mich im 6.Semester meines Maschinenbaustudiums und arbeite an meiner 2. Projektarbeit. In dieser soll ich ein leichtes Plattformpedal für den Downhilleinsatz auslegen, konstruieren und fertigen.
Ich weiß momentan nicht genau, für welche Lasten ich den Pedalkörper und die Achsen auslegen muss.
Soll heißen:

Wie finde ich heraus, in welcher Situation die größten Kräfte auftreten und wie groß sie sind (Wo sie angreifen ist nicht das Problem)?
Ich müsste wissen, was für Situationen ohne Achsenbruch überstanden werden sollten, die entsprechenden Kräfte oder Impulse kann ich mir dann ausrechnen.

Die auftretenden Kräfte beim Treten sollten zu vernachlässigen sein im Vergleich zu dem, was ein Pedal in anderen Situationen in unserem Sport aushalten muss. Beispielsweise eine verpatzte Landung mit Durchschlagen der Federung. Für so einen Fall könnte ich die auftretende Kraft ausrechnen, sofern ich wissen würde, aus welcher Höhe das Bike samt Fahrer herunterfallen würden.

Könnt ihr mir helfen? Was haben eure Pedale denn bisher ausgehalten, wann sind sie gebrochen? Ich wäre sehr dankbar, wenn mir jemand eine Situation nennen könnte, die ich als Grenzbelastung annehmen könnte, sowas wie: bei einem Drop aus 4m Höhe ins Flat darf die Achse brechen, das ich ja keine Alltagssituation. Also als Beispiel.

Wäre nett, wenn ihr euch zahlreich beteiligt

Viele Grüße
2und4zig

 

[unchained]

MAB Semester 5

Kurze Vorüberlegung:

Wenn du die Spannungen und zuvor die auftretenden Maximalkräfte errechnen willst ist das ne schwierige Angelegenheit.

Die größten Kräfte resultieren aus den maximalen Beschleunigungen der Massen. (F=m*a)
Als Beispiel: Downhillfahrer verpatzt die Landung und knallt aus 4m Höhe unter einem Winkel alpha auf den Boden.

Dabei beschleunigt (Erdbeschleunigung) die Masse des Fahrers auf eine Geschwindigkeit. Der Fahrer schlägt mit der Geschwindigkeit v unter dem besagten Winkel auf der Nullebene (Boden) auf (Schiefer Wurf).

Beim Aufprall wirken Bleunigungskräfte in negativer Richtung. Die Masse wird abgebremst.

Aus der Bewegungsdifferentialgleichung vdv=ads ergeben sich dann die geforderten Werte für den Wert der Beschleunigung. Verknüfst du die Beschleunigung mit der Masse ergibt sich die Kraft.

VORAUSSETZUNG ist allerdings, dass du weißt über welchen Weg abgebremst wird.

Je kürzer der Weg (Biegung der Welle) desto höher (mehrere Tonnen) sind die Kräfte die an der Welle für einen differentiell kleinen Zeitraum wirken.

Du musst dir im Klaren sein, welche Bestandteile des komplexen Gebildes "Downhillfahrer" eine Dämpfende und Schwingende funktion einnehmen.
Um mal ein paar zu nennen:

-Fahrwerk (Dämpfer/Federgabel)
-Flex im Rahmen
-Dämpfungseigenschaften deines Körpers (Muskelfasern, Sehnen)
-Reifen
-Speichen
...

All diese Faktoren und schlussendlich die Pedalachse stehen in Interaktion mit den Bestandteilen die ich oben genannt habe. Manche dämpfen mehr, manche weniger.

Schlussüberlegung:

Mache dir klar über welchen Weg abgebremst wird. Das ist die wahre Schwierigkeit der ganzen Aufgabe. Denn hast du den Weg, über den abgebremst wird, so kannst du durch Umstellung ganz locker die Beschleunigung ermitteln.

Wie kommst du nun zum Beschleunigungsweg: Stichwort Festigkeitslehre.

Hab grad viel zu tun. Ich werde mich aber später nochmals damit befassen und hier posten.

Ich musste mir vor einiger Zeit die gleichen Fragen bei der Entwicklung meiner Naben stellen.

 

[dkc-live]

sowas mit überlegung zu ermitteln ist in meinen augen ein "schuss in den ofen". aber für ne projektarbeit reicht es!

in der industrie wird sicherlich ein kräfteverleauf im feldversuch ermittelt!

 

[MoP__]

Ein Beispiel von mir:
DMR V8 hab ich verbogen, als ich bei ca. 60km/h auf einen Stein aufgesetzt habe.
Die Kurbel (XT) war auch krumm, daher waren die Pedale der kleinere Posten bei der Reparatur.

Ich würde mal sagen: Sie sollten etwa so viel aushalten, dass die Kurbel sowieso krumm ist, wenn das Pedal verbiegt/bricht.
Da kann man evtl. aus der Konstruktion von gängigen Kurbeln die Kräfte ausrechnen, für die sie konstruiert wurden.
Und dann dem entsprechend aufs Pedal anpassen (Winkel, Material usw.).

 

[flyingscot]

Ich glaube auch, dass die Maximalkräfte eher bei Boden/Steinkontakt oder Sturz auftreten...

 

[xxFRESHxx]

da lang herumzurechnen hat meiner ansicht nach nicht viel sinn da es viel zu viele unsichere faktoren gibt. am ende ist es dann auch nicht viel mehr als eine schätzung.

wie dkc schon sagte, messdaten müssen her. sowas selbst zu machen ist im rahmen einer projektarbeit sicherlich zu aufwendig aber bekanntlich gibts es ja nichts was nicht, zumindest in ähnlicher form, schon mal gemacht wurde. man muss es nur finden.

Messfahrt von Carlo Dieckmann beim Slpestyle in Saalbach

das sollte für die gestellte aufgabe eigentlich eine ganz gute grundlage darstellen. zumindest was die belastung im regulären fahrbetreib angeht.
aufsetzer mit steinkontakt und stürze sind wieder ein anderes thema. aber ich bezweifle, dass danach in der industrie augelegt wird.

 

[2und4zig]

Danke xxFRESHxx, das dürfte hilfreich sein
Ich denke auch nicht, dass die Industrie ihre Teile für den Fall eines Sturzes auslegt.
Umfangreiche Messungen wären mir auch lieber, aber wie das so ist, es darf weder Zeit in anspruch nehmen noch etwas kosten

@ flyingscot:
Das denke ich auch, aber gerade bei sowas gehen die Teile der industriellen Hersteller auch über den Jordan, dann muss ein Pedal es auch nicht aushalten.

@MoP:
Rückwärts rechnen wäre eine Möglichkeit, aber dann würde ich direkt Pedale vermessen. Das wäre aber keine besonders wissenschaftliche Herangehensweise, zwar eine praktische und auch zielführende, aber wohl keine die mein Professor mögen wird

@ unchained:
Ich hab grade beim Kommentar schreiben meine Internetverbindung verloren, mal sehen wieviel ich davon noch zusammenbekomme:

Ich bin mir im Klaren darüber, dass die auftretenden Kräfte davon abhängen:

wie viel das System Downhillfahrer wiegt,
wie tief er fällt,
welchen Winkel zur Horizontalen die Landung hat,
wieviel Federweg bei
welcher Federhärte er ausnutzt,
ob die Federung durchschlägt und welche Geschwindigkeit das System zu dem Zeitpunkt noch hatte.

Die Kraft sollte sich dann aus F=m*a ergeben, wobei a abhängig davon ist, wie schnell er fiel und auf wie kleiner Strecke er abbremst.
Dann muss ich mir im Klaren darüber werden, wie viel Durchbiegung ich in den Achsen zulassen will.

Trotzdem würde mir für die Berechnung noch fehlen, was für einen Fall ich dem Ganzen zu Grunde legen soll. Die Fallhöhe hat ja einen entscheidenden Einfluss auf die auftretenden Größen, genauso wie der Landungswinkel.

Ich könnte mich daran entlanghangeln, was für Situationen in unseren oder anderswo befindlichen Bikeparks zu finden sind.

Wie tief sind denn die großen Drops in den Parks und wie Steil ist die Landung dann dazu? Kann mir da jemand weiterhelfen?

 

[Datenwurm]

Bitte nicht vergessen, wenn denn die Werte herausgefunden wurden, dass eine möglichst solide Sicherheitstoleranz dasein sollte - weil bei nem 4m drop der eh schon ins flat geht möchte ich nicht noch mit einem abgebrochenem Pedal kämpfen - dann sind die Eier(stöcke^^) auch kaputt...

 

[B.Scheuert]

Ich würde die Belastungen von Drops vielleicht eher vernachlässigen. Belastungsspitzen hast du mMn. v.a. bei Steinkontakt. Ich habe am einem Wellgo MG-1 einen Pin abgerissen, als ich bei ca. 30-40Km/h heftigen Steinkontakt hatte, der meine Geschwindigkeit etwa halbiert, das gesamte Rad aus der Spur gedrück und mich fast über den Lenker geworfen hat. Die Kurbel(Truvativ Holzfeller) ist seitdem deutlich verbogen. Beide Teile sind immernoch im FR- und DH Einsatz.

 

[2und4zig]

@ B.Scheuert
Stimmt, den Aspekt sollte ich zumindest mal nicht aus den Augen verlieren. Das betrifft dann aber nur den Pedalkörper, wenn ich die Achse in den Griff bekomme, macht das mir keine Sorgen
Wenn es deine Kurbel verbogen hat UND einen Pin ausgerissen, dann scheinen die Wellgo Pedale und die Holzfeller Kurbel diesbezüglich auf die gleiche Belastung ausgelegt zu sein, interessant. Das heißt also, das Pedal war nicht zu schwach. Aber du musst auf alle Fälle tierisch gegen den Stein gedängelt sein

@Datenwurm:
Ich neige bisher sowieso dazu, mit zuviel Sicherheit auszulegen, von daher ist gerade dieses Leichtbauprojekt für mich interessant

 

[reo-fahrer]

Konstruierst du das auf der grünen Wiese oder soll das Pedal an bestehende Kurbeln passen? Weil dann ist imho das Pedalgewinde und die ersten mm danach der begrenzende Faktor, ein Achsdurchmesser dicker als der Gewindekern macht wohl keinen Sinn. Außerdem ist dort die Belastung am größten, mit dem maximalen Hebel. Und damit ist die max. Festigkeit ja eigentlich schon definiert (ok, in Abhängigkeit des Materials).

 

[SCM]

Als Laie frage ich mich: Wäre es nicht am einfachsten, ein funktionierendes Pedal wie z.B. das Wellgo MG-1 (tausendfach bewährt und günstig) einem Prüfstandtest auf Bruch- und Biegefestigkeit zu unterziehen? Oder ist das im Rahmen der Projektarbeit "Schummelei"?

 

[agrohardtail]

ich würde sagen das überschreitet ein studenten budget, arbeitsstunden an maschinen sind sehr sehr teuer. nen kumpel der schlosser sit meinte ne stunde an der cnc fräse 150€ wäre normal

 

[2und4zig]

@ reo-fahrer:
natürlich soll das Pedal alle bestehenden Standards erfüllen, um überall verbaubar zu sein. Es wäre ja auch witzlos ein Produkt zu entwickeln, für das es keinen Abnehmer gibt
Du hast vollkommen Recht, dicker als der Gewindegrund macht nur wenig Sinn (abgesehen von dem Kragen, der an der Kurbel anlieg und die Schlüsselflächen trägt). Aber ich will ja nicht dicker werden, sondern muss herausfinden, um vieviel dünner ich werden darf, ohne dass das Pedal zu labil wird.
Viel Stahl/Titan/wasauchimmer = Gewicht = böse.

@ SCM und aggrohardtail:
Das wäre zwar eine Möglichkeit, aber leider nicht im Sinne der Übung. Ich frage mich, ob die finanziellen Mittel dafür gestellt bekommen würde...
Auf alle fällt müsste ich da wohl ein paar Kästen für das Werkstoffprüflabor oder die Werkstatt springen lassen
150€ für eine Fräsenstunde kommt mir etwas wenig vor. Ich hab jetzt keinen Wert mehr im Kopf (wusste es mal) aber ich dachte es war erheblich mehr. Sonst wäre ein Maschinenausfall für einen Tag ja auch nicht so ein Weltuntergang

 

[Res-q]

Bevor du die Achse dünner machst, solltest du sie lieber hohl bohren.

Denn der Durchmesser geht ins Widerstandsmoment x³ ein.


Und mit den kinematischen größen ist das immer so ne Sache. Ich überleg grade wie man das wohl am cleversten mist. Mir fällt so spontan nur die Möglichkeit ein über einen dms an der Pedalwelle die durchbiegung zu bestimmen, und über bekante Widerstandsmomente die Spannung zu berechnen.

 

[agrohardtail]

@ 2und4zig
hab mir im nachhinein auch gedacht das ich etwas falsch lag^^

 

[2und4zig]

@ Res-q:
Klar, hohl ist besser, war auch nur so dahingesagt
Für Versuche hab ich leider wohl nicht die Möglichkeiten, meine Auslegung muss daher auf Theorie oder Messung von anderen beruhen. Die werkstätten und Labore bei uns sind momentan gut mit Aufgaben ausgelastet

 

[reo-fahrer]

Es wäre ja auch witzlos ein Produkt zu entwickeln, für das es keinen Abnehmer gibt

Das ist aber im Moment der neue Trend, neue "Standards" auf den Markt zu werfen, die alle viel besser sind als das alte. 15mm Steckachse, X12, BB30 und co., Tapered Gabelschäfte. Bau doch einfach eine neue Kurbel mit M30fein als Pedalgewinde und lass dann Syntace erklären, wie toll das ist

Du hast vollkommen Recht, dicker als der Gewindegrund macht nur wenig Sinn (abgesehen von dem Kragen, der an der Kurbel anlieg und die Schlüsselflächen trägt). Aber ich will ja nicht dicker werden, sondern muss herausfinden, um vieviel dünner ich werden darf, ohne dass das Pedal zu labil wird.
Viel Stahl/Titan/wasauchimmer = Gewicht = böse.

Wäre es dann ein Ansatz mal rauszurechnen, was eine aktuelle Achse prinzipiell aushält, dann mal die Messungen aus dem Slopestyle-Lauf etc. mit reinzumischen und dann daraus ne Differenz zu haben, die sich wegoptimieren lässt?

 

[Res-q]

Ich hab jetzt mal ganz grob überschlagsmäßig gerechnet um mal nen überblick über die größen ordnung zu bekommen.

kahm bei nem drop ins flatt aus 2m und nem bremsweg von 0,35m (ganz stark vereinfacht, ohne das alles auseinander zu klamüsern, was der fahrer macht, was die ungefederten Massen machen was der Federweg macht)

und kahm auf ne belastung von knappen 3kN pro seite.

 

[Trasher_one]

@ reo-fahrer:
.....

@ SCM und aggrohardtail:
Das wäre zwar eine Möglichkeit, aber leider nicht im Sinne der Übung. Ich frage mich, ob die finanziellen Mittel dafür gestellt bekommen würde...
Auf alle fällt müsste ich da wohl ein paar Kästen für das Werkstoffprüflabor oder die Werkstatt springen lassen
150€ für eine Fräsenstunde kommt mir etwas wenig vor. Ich hab jetzt keinen Wert mehr im Kopf (wusste es mal) aber ich dachte es war erheblich mehr. Sonst wäre ein Maschinenausfall für einen Tag ja auch nicht so ein Weltuntergang

Hi,

also ich weiß ja nicht, an welcher hochschule du studierst, aber bei meiner bzw. eig den meisten die ich kenne muss man keinen cent für tests zahlen.
Zum einen, weil man die ja selbst machen soll, im rahmen der möglichkeit. zum anderen, weil die leute dafür ja extra angestellt sind.

so ein bruchtest ist jetzt nicht gerade aufwendig, aber geht ja etwas an der projektarbeit vorbei.
ich würde einfach mal mit den abmaßen von verbauten wellen auf bruch rechnen. und dann diesen wert etwas herabsetzten, bzw. differenz als sicherheit einrechnen.
Gruß Martin

 

[2und4zig]

@ reo-fahrer:
Ich bleibe lieber bei den normalen Standards, später kann ich immer noch mit neuem abdrehen.
Das mit dem Vergleichen wäre eine Idee.

@ Trasher one:
Nee, das hast du falsch verstanden, die Tests würden mich auch nichts kosten, aber die Labore dafür sind ausgelastet. Um einen Fahrer zu verkabeln wären aber wahrscheinlich noch nicht die Geräte vorhanden.
Mit den Finanzen hab ich gemeint, ob mir Pedale gestellt werden würden, um sie testweise zu zerstören.

 

[Stefan3500]

Du könntest Dir ja hier im Thread abgenutzte Pedale schenken lassen (von Leuten die sich sowieso neue kaufen) und die zerstören.

 

[nullstein]

Naja was willste groß tricksen bei den Pedalen? Das ist ein relativ einfaches Bauteil. Die Achse könnte man sich idealsiert als Kragarm vorstellen und versuchen über den Volumennutzungsgrad eine homogene Verteilung der Spannungen entlang der Pedalachse zu erreichen. Dürfte aber schwierig werden, da die Parabelfeder hier das Optimum bietet und die sollte nicht zielführend sein. In meinen Augen bieten die Lager das größte Potential.
Achso zum Thema Belastungen: Ich würd gar nicht so kompliziert denken und mit Federwegsausnutzung etc. arbeiten. Was soll das bringen? Beschränkst du dann dein Pedal auf >160mm FW Boliden? Rechne doch einfach für nen Hardtail! Das wäre sozusagen "worst case".

 

[2und4zig]

Hmm, gute Idee nullstein, am Hardtail wäre die Sache noch ne ganze Ecke einfacher zu berechnen. Warum komme ich nie auf einfache Ideen? Dann werde ich es auf jeden fall auch noch für ein Hardtail rechnen
Ja, ich denke auch, dass an der Achse nicht so viel zu sparen ist, Lager und Pedalkörper haben dafür noch Potential.

 

[sebbi]

Schwere frage welche Kräfte wirklich auf dem Pedal herschen aber laut DIN EN 14766 Geländefahrräder (Mountainbikes) –
Sicherheitstechnische Anforderungen und Prüfverfahren;

muss das Pedal eine Belastung von 1500N ohne irgendeinen optischen einfluss aushalten.

und bei der Stoßprüfung ein 15kg gewicht mit ner hammerfinne aus 400mm drauffallen.

so aus überlegungen find ich die werte gering aber das sagt die norm

vielleicht hilft dir das weiter