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Prüfstand So werden sicherheitsrelevante Bauteile an Fahrrädern geprüft

| Autor / Redakteur: Dr. Dipl.-Ing. Wolfgang Strecker, MBA / Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Um sicherheitsrelevante Komponenten an Fahrrädern valide und objektiv zu prüfen, können sich Hersteller an spezialisierte Prüfdienstleister wenden. Hinter den Prüfständen, die dort zum Einsatz kommen, stecken komplexe und genau durchdachte Versuchsaufbauten – ein Blick hinter die Kulissen bei der EFBE Prüftechnik.

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Zuverlässig und stabil sollen die Teile eines Mountainbikes sein, höchste Leistungen zulassen und vor allem den Biker nicht gefährden oder gar verletzen.
Zuverlässig und stabil sollen die Teile eines Mountainbikes sein, höchste Leistungen zulassen und vor allem den Biker nicht gefährden oder gar verletzen.
(Bild: Dr. Strecker)

Beim Mountainbiken sind Mensch und Fahrzeug aufs Höchste beansprucht. Zuverlässig und stabil sollen die Teile des Zweirades sein, höchste Leistungen zulassen und den Biker nicht gefährden oder gar verletzen. Die technischen Vorschriften können den Schriften der Gesetzgeber oder internationalen Normen, wie der ISO 4210, EN 15194, entnommen werden. Darüber hinaus werden die Anforderungen von Herstellern in ihren internen Prüfstandards beschrieben.

Um sicherheitsrelevante Komponenten valide und objektiv zu prüfen, können sich Fahrradhersteller an spezialisierte Prüfdienstleister wenden, wie beispielsweise die EFBE Prüftechnik GmbH in Waltrop bei Dortmund. Das spezialisierte Unternehmen prüft nicht nur, sondern ist zugleich Hersteller von universellen Prüfmaschinen für die Fahrradindustrie. Auf diesem Gebiet hat das Unternehmen langjährige Erfahrungen. Ein Blick in das Unternehmen erlaubte, die dort ablaufenden Prozesse zu beobachten.

Vom Laufrad zum E-Bike

Begonnen hat die Geschichte des Fahrrades im Jahr 1817 mit dem Karlsruher Freiherrn Karl Drais, der in Mannheim das auf dem Zweiradprinzip basierende Laufrad mit lenkbarem Vorderrad erfunden hat. Die von dem badischen Forstmeister erfundene Laufmaschine wurde in der Öffentlichkeit – abgewandelt von seinem Namen – bald als Draisine bekannt.

Die Draisine – ein auf dem Zweiradprinzip basierendes Laufrad – gilt als Vorgänger des heutigen Fahrrades.
Die Draisine – ein auf dem Zweiradprinzip basierendes Laufrad – gilt als Vorgänger des heutigen Fahrrades.
(Bild: gemeinfrei / CC0 )

Dass die Erfindung nach über zwei Jahrhunderten zu vielfältigen Fahrrädern mutiert ist, hatte Drais vermutlich nicht erwartet. Auch über die Verkehrsdichte auf den wenigen Straßen und die Verkehrstüchtigkeit seiner Laufmaschine haben sich Drais und seine frühen Nachfolger weniger Gedanken machen müssen. Auch nicht um die Sicherheit der wenigen Bauteile an ihren Zweirädern. Heutige Modelle kommen um eine umfassende Prüfung nicht herum, wie sie unter anderem der TÜV Süd in einem Paket verschiedener Prüfprozeduren vorsieht und für die CE-Konformität dokumentiert.

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Prüfstände für unterschiedlichste Fahrradbauteile

Konstrukteure in der Fahrradindustrie wissen um kraftgeregelte Ermüdungsversuche an sicherheitsrelevanten Bauteilen. In Prüfmaschinen werden Fahrradteile wie Rahmen, Gabel, Sattelstütze, Lenker mit Vorbau und Antriebe in dynamischen Versuchen wechselnden oder schwellenden Prüfkräften im Bereich von 100 N bis 2200 N ausgesetzt. Bei Festigkeitsversuchen unter statischen Bedingungen haben sich Kräfte bis 10 kN bewährt. Prozeduren, die auf einen ersten Blick noch recht einfach anmuten, zeigen aber bei genauem Hinsehen einen subtilen Versuchsaufbau mit Maschinenelementen, Pneumatik, Mess- und Regeltechnik.

Versuchsaufbau einer Prüfmaschine
Versuchsaufbau einer Prüfmaschine
(Bild: Dr. Strecker/EFBE Prüftechnik)

In dynamischen Versuchen werden über Pneumatikzylinder und Kraftmessdosen Pedalkräfte beim Fahrrad simuliert, um damit die Stabilität und Lebensdauer des Rahmens zu prüfen. Diese Prüfung mit pedalierenden Kräften und einer Größenordnung von maximal 1300 N umfasst 100.000 Zyklen. Wie im praktischen Fahrbetrieb wird abwechselnd das rechte und linke Pedal mit der Prüfkraft beaufschlagt.

In der Zeichnung sind Versuchsaufbau mit den pedalierenden Kräften und Freiheitsgrade zu erkennen.
In der Zeichnung sind Versuchsaufbau mit den pedalierenden Kräften und Freiheitsgrade zu erkennen.
(Bild: Dr. Strecker/EFBE Prüftechnik)

Nach etwa 12 Stunden ist der Versuch abgeschlossen, soweit es nicht vorher zu einem Ausfall der geprüften Systeme gekommen ist. Die Entwicklung dieser Prüfung geht auf die Firma EFBE zurück und wurde von ihr auf der IFMA erstmals 1990 vorgestellt. Sie gehört heute zu den international anerkannten und eingesetzten Prüfstandards. In der Zeichnung sind Versuchsaufbau mit den pedalierenden Kräften und Freiheitsgrade zu erkennen.

In einer weiteren Prüfung widmet man sich Lenker und Vorbau. Die Lenkungsteile werden mit den von Kraftmessdosen geregelten Prüfkräften bis zu 1300 N beaufschlagt.

Formstabiler Aufbau der Prüfmaschine

Der Aufbau einer Prüfmaschine verdeutlicht, dass deren Bauteile für den Prüfvorgangs auf Formstabilität ausgewählt sind. Beim Versuchsaufbau wird außerdem auf die notwendigen Freiheitsgrade beteiligter Komponenten geachtet, um Verspannungen und schließlich Schäden an Gelenkteilen und Kraftmessdosen zu vermeiden. Eine ungenügende Präzision der Teile könnte vom gewünschten Kraftfluss ablenken und das Prüfergebnis beeinflussen.

Beim Versuchsaufbau wird auf die notwendigen Freiheitsgrade beteiligter Komponenten geachtet, um Verspannungen und schließlich Schäden an Gelenkteilen und Kraftmessdosen zu vermeiden.
Beim Versuchsaufbau wird auf die notwendigen Freiheitsgrade beteiligter Komponenten geachtet, um Verspannungen und schließlich Schäden an Gelenkteilen und Kraftmessdosen zu vermeiden.
(Bild: Dr. Strecker/EFBE Prüftechnik)

Exemplarisch zeigt sich, ist der Einsatz von Gelenkköpfen nach DIN ISO 12240-4 für die Kraftübertragung empfehlenswert, um rotative Freiheitsgrade bei sehr geringer Reibung zu ermöglichen. So tolerieren die ausgewählten Gelenkköpfe bis zu einem gewissen Grad im Prüfprozess hervorgerufene Lagerbewegungen, wie Kippen, Schwenken oder Rotieren. Sie sind an mehreren Stellen der Prüfeinrichtung vorgesehen. Dass die Prüfkräfte mit 100 N bis 2200 N vorgegeben sind, erleichtert die Auslegung der Gelenkköpfe durch die in Tabellenwerten ersichtlichen maximalen Tragzahlen. Die versuchstypischen Schwenkbewegungen bis zu 7,5° bei einer Prüffrequenz von 2 Hz bis max. 5 Hz verursachen keine Relativgeschwindigkeiten. Der Verschleiß wird weiter verringert und eine höhere Lebensdauer der Gelenkköpfe erreicht.

Der Leichtbau und der Wunsch maximaler Präzision bedingt, die bewegten Massen an den Prüfmaschinen so gering wie technisch möglich zu halten. So ist bekannt, dass eine bewegte Masse, die auf der Prüflingsseite lokal vor der Kraftmessdose installiert ist, ihrer Trägheit wegen Kräfte verursacht, die von der Steuerung unbemerkt bleiben. Das Phänomen wird im Versuchsaufbau zur Stabilitätsprüfung der Sattelstütze deutlich, die eine dynamische Prüfung mit 1.300 N bei 100.000 Lastwechseln vertragen muss.

Prüfung der Sattelstütze
Prüfung der Sattelstütze
(Bild: Dr. Strecker/EFBE Prüftechnik)

Die Prüfung des Steuerrohrs (Rohr zwischen Gabel und Vorbau) gilt als ebenso anspruchsvoll, wenn nach werkseigenem Standard 100.000 Zyklen bzw. Schwingspiele mit einer Kraft zwischen -1200 N und 600 N gefahren werden.

Gleitlager mit kleiner Lagerluft verwenden

Ein wichtiges Kriterium im Versuchsaufbau steckt im Gelenkkopf. Dessen Gleitlager, das Präzisionsanforderungen von Prüfständen erfüllen soll, erfordert die Verwendung von Lagerelementen mit kleiner Lagerluft. Zum Interieur gehört ein aus legiertem Vergütungsstahl mit der Werkstoffnummer 1.7225 ( 42CrMo4) gefertigter Innenring, der gehärtet, geschliffen und gefinisht ist. Der Freiraum zwischen Innen- und Außenring des Lagers ist mit dem Festschmierstoff PTFE ausgekleidet. Die Kombination dieser Materialien leistet einen Beitrag zu Wartungsfreiheit.

Beim Einbau des Gelenkkopfes in der Prüfmaschine ist zu beachten, dass ein ausfallender Prüfling den maximalen Schwenkwinkel der Gelenkköpfe von 13° nicht überschreitet. Nicht nur der Gelenkkopf, sondern auch die Kraftmessdose könnte bei größerem Winkel beschädigt werden. Kollateralschäden, die bei einem versagenden Bauteil auch die Prüfmaschine erfassen könnten, sollen durch eine anschlagsfreie Rotation verhindert werden.

Um Fahrräder und deren sicherheitsrelevante Bauteile auf Funktion und Haltbarkeit umfassend zu prüfen, ist es wichtig, dass die Prüfmaschine trotz kraftzehrendem Einsatz keine Funktionseinbußen zeigt.

Hier ein Beispiel aus der Praxis: eine Fahrradrahmenprüfung bei EFBE:

Zuverlässige Prüfstände ermöglichen zuverlässige Fahrräder

Fahrräder sind nicht mehr einfache und mit reiner Muskelkraft unterstützte Fortbewegungsmittel. Unterschiedlichste Komponenten, Werkstoffe und Bauarten kommen zum Einsatz. Außerdem kommt in vielen Fällen der Elektromotor als unterstützender Energielieferant hinzu.

Verantwortungsbewusste Hersteller prüfen mittlerweile alle sicherheitsrelevanten Bauteile an Fahrrädern. Bauteilprüfungen mit 100.000 Zyklen und großen Kräften werden in dynamischen oder statischen Versuchen unternommen. und anschließende Analysen, die den Zustand, Verschleiß oder die Schadensmerkmale der Bauteile bewerten, vorgenommen.

Danach gilt es, aus den gewonnenen Erkenntnissen Konsequenzen für ggf. notwendige Änderungen in der Konstruktion der betreffenden Teile zu ziehen, ihre Werkstoffauswahl oder Verbindungstechnik zu optimieren. Voraussetzung und Basis dafür sind zuverlässige Prüfstände.

* Wolfgang Strecker ist Geschäftsführer der DR.STRECKER – Ingenieurbüro für Antriebstechnik Industrievertretungen GmbH & Co.KG.

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