REFRAME

Das Fahrrad ist eine nachhaltige, umweltfreundliche und gesundheitsfördernde Mobilitätslösung. Es stellt einen wichtigen Baustein der Verkehrswende für das Erreichen der Klimaschutzziele dar. Das Kernstück und damit auch der wichtigste Know-How-Bereich für einen Fahrradhersteller ist der Fahrradrahmen, denn dieser ist bei nahezu jedem Hersteller und Modell einmalig und teilweise die einzige Eigenentwicklung. Anbauteile und Komponenten werden zugekauft.

Im Rahmen der Produktentwicklung von Fahrradrahmen müssen diese umfangreiche genormte Materialtests bestehen, um die Sicherheit des Fahrrades zu gewährleisten. Wird der Prüftest nicht bestanden, muss dieser Zyklus nach konstruktiver Anpassung wiederholt werden, bevor das Fahrrad auf den Markt kommen kann. Digitale Modelle zur Bestimmung der Rahmenlebensdauer finden bisher in der Fahrradindustrie nur vereinzelt Anwendung.

Steigende Anforderungen an die Fahrradrahmen infolge der Mobilitätswende (z.B. durch: e-Bikes, Lasten- und Kindertransport, Leihfahrräder) werden in den Normen bisher nur zum Teil berücksichtigt. Belastungsszenarien infolge individueller Radfahrenden oder Fahrradaufbauten können dabei nicht abgebildet werden.

Ziel des Projekts REFRAME ist es, mit Hilfe messdatenverifizierter digitaler Modelle die Digitalisierung der Fahrradentwicklung voran zu treiben und somit zukunftsfähig zu machen.

Dafür wird ein digitaler Zwilling des Fahrradrahmens entwickelt. Dieser besteht aus einem digitalen Abbild des Fahrrads (Geometrie) und einem numerischen Modell (Simulation) zur Bestimmung der mechanischen Rahmenbelastung. Mit Hilfe des digitalen Zwillings lassen sich in sehr kurzer Zeit eine große Anzahl diverser Rahmengeometrien unter verschiedenen alltäglichen Belastungsszenarien hinsichtlich ihrer Steifigkeit (entscheidend für den Fahrkomfort) und Lebensdauer (entscheidend für die Sicherheit) untersuchen. In diesem Vorhaben sollen drei wesentliche Ergebnisse erzielt werden:

1. Sensorentwicklung für die Belastungsmessung an Fahrradrahmen: Es wird ein Messsystem entwickelt, welches Beschleunigungen und Dehnungen an mehreren Positionen des Fahrrads während der Fahrt erfassen und aufzeichnen kann. Durch diese Sensorik können sowohl äußere Belastungen infolge der Interaktion zwischen Reifen und Untergrund als auch innere Belastungen durch z.B. Pedalierbewegungen ermittelt werden. So können die im weiteren Projektverlauf zu erstellenden numerischen Modelle validiert werden.
2. Methodik für die digitale Dimensionierung von Fahrradrahmen: Es soll ein Vorgehen entwickelt werden, um mit Finite-Elemente-Software eine bedarfsgerechte und ressourceneffiziente Auslegung der Fahrradrahmen durchführen zu können. Dafür werden digitale Modelle eines Beispielfahrrades erstellt, mit deren Hilfe die mechanische Belastung des Rades in Folge variierender Lasten mit daraus folgender Berechnung der Lebensdauer analysiert wird. So können konstruktive Möglichkeiten abgeleitet werden, die dazu führen, Material und somit Ressourcen, Gewicht und Energie zu sparen – ohne dabei die Lebensdauer bei der gegebenen Belastung zu reduzieren. Ökologisch und ökonomisch aufwendige Trial-and-Error-Experimente zur Findung geeigneter Rahmengeometrien werden dahingehend auf ein Minimum reduziert. Somit können sicherere, nachhaltigere Fahrräder durch lastspezifisch optimierte Rahmen entwickelt werden.
3. Analyse etablierter statischer und dynamischer Materialermüdungstests: Die ermittelten experimentellen Daten sowie das digitale Modell des Rahmens sollen genutzt werden, um reale Belastungen mit den aktuell etablierten Materialermüdungstests (z.B. nach DIN EN ISO 4210, DIN 79010 oder Prüflabor-spezifischen Richtlinien) zu vergleichen. So können ggf. Bereiche, die in den aktuellen Prüfverfahren nicht bewertet werden, identifiziert und Empfehlungen für neuartige Testmethoden abgeleitet werden.