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Die Erfindung betrifft einen Rahmen für ein Motorrad mit mindestens zwei Hauptrohren, die sich von einem Steuerrohr im Wesentlichen in Längsrichtung des Motorrads erstrecken. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Rahmens.
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Motorradrahmen bilden die zentrale, tragende Struktur eines Motorrads, an dem eine Vielzahl unterschiedlicher Aggregate anordenbar ist. An dem Motorradrahmen, auch Hauptrahmen genannt, ist die Hinterradschwinge drehbar gelagert, die das Hinterrad des Motorrads führt. Am in Fahrtrichtung vorderen Ende des Motorradrahmens ist ein Steuerrohr angeordnet, zur Aufnahme eines Lenkkopfes für eine Vorderradgabel, in der das Vorderrad gehalten und geführt ist. Auch ein für den Vortrieb notwendiger Verbrennungsmotor oder Elektromotor ist an oder in dem Rahmen befestigt. Um alle diese Anbauteile und Aggregate tragen zu können, muss der Motorradrahmen über eine ausreichende Eigenstabilität verfügen. Im Stand der Technik werden Motorradrahmen bspw. aus metallischen Rohren zusammengesetzt, wobei vorzugsweise Stahl oder Aluminium zum Einsatz kommt. Derartige Motorradrahmen sind bspw. aus der Europäischen Patentschrift
EP 1 897 793 B1 bekannt.
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Um das Gewicht des Rahmens und damit das gesamte Fahrzeuggewicht zu reduzieren, wurden im Stand der Technik auch Rahmen für Motorräder aus faserverstärktem Kunststoff entwickelt, die in Schalenbauweise ausgeführt sind. Ein derartiger Motorradrahmen ist bspw. aus der
DE 4224120 bekannt.
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Grundsätzlich unterscheidet sich im Schadensfall das Verhalten von metallischen Werkstoffen von dem Verhalten faserverstärkter Kunststoffe. Motorradrahmen aus metallischen Werkstoffen verformen sich im Falle eines Sturzes plastisch. Dies ist durch den Benutzer eines Motorrads von außen gut zu erkennen, da einzelne Bereiche des Rahmens verbogen oder eingedrückt sind. Darüber hinaus kann es auch zu einem Verzug des Rahmens kommen, der das Fahrverhalten, bspw. den Geradeauslauf des Motorrads, beeinträchtigt. Diese Indizien, aus denen der Fahrer eine Beschädigung des Motorrads erkennen kann, sind beim Motorradrahmen aus faserverstärktem Kunststoff nicht gegeben. Wird ein Bauteil aus faserverstärktem Kunststoff über seine Belastungsgrenzen hinaus beansprucht, kommt es im Allgemeinen zu Rissbildungen. Diese Risse können in uneinsehbaren Bereichen liegen, so dass sie nicht bemerkt werden oder auch in so kleiner Form vorliegen, dass sie als Haarrisse nicht sichtbar sind. Bei Nichterkennen von Schäden in faserverstärkten Strukturbauteilen, kann durch weitere Belastung ein Kollabieren des gesamten Hauptrahmens erfolgen. Insbesondere durch Vibrationen und Schwingungen, die im normalen Fahrbetrieb entstehen, bilden sich Risse weiter aus und führen zu einem kompletten Durchbrechen des Bauteils. Ein vollständiger Durchbruch des Hauptrahmens kann zu kritischen Fahrsituationen führen und ist deshalb aus Sicherheitsgründen unbedingt zu verhindern.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik macht es sich vorliegende Erfindung zur Aufgabe, einen verbesserten Rahmen anzugeben, mit dem die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden. Es ist eine besondere Aufgabe der Erfindung, einen Rahmen für ein Motorrad anzugeben, bei dem selbst im Schadensfall ein totales Versagen verhindert wird. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Motorradrahmens anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch einen Rahmen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Die abhängigen Ansprüche stellen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung dar.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung einen Rahmen für ein- oder mehrspurige Fahrzeuge, insbesondere für ein Motorrad vor mit mindestens zwei Hauptrohren, die sich von einem Steuerrohr im Wesentlichen in Längsrichtung des Motorrads erstrecken. Vorzugsweise können die Hauptrohre aus faserverstärktem Kunststoff ausgebildet sein. Dadurch ist der Rahmen strukturell aus zwei körperlich voneinander getrennten Hauptrohren gebildet. Dies bietet den Vorteil, dass eine Beschädigung, die an einem Hauptrohr entsteht, sich nicht zu anderen Hauptrohren ausbilden bzw. ausweiten kann. Dadurch kann der Rahmen nicht vollständig kollabieren, sondern behält eine gewisse Reststabilität. Dieser Stabilitätsabfall liefert einem Benutzer des Motorrads eine Rückmeldung über den Zustand des Rahmens. Dies kann bspw. durch eine geringere Steifigkeit oder durch eine Geräuschentwicklung im Rahmen geschehen. Die Hauptrohre können eine runde, ovale, zwei-, drei-, vier- oder mehreckige Querschnittsform aufweisen und sind in Hohlprofilbauweise erstellt.
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Die Erfindung soll nicht auf Motorräder beschränkt sein. Denn erfindungsgemäße Rahmen können auch für Motorroller, dreirädrige Motorroller, sog. Trikes oder zweispurige Fahrzeuge, sog. Quads bis hin zu Schneemobilen u. dgl. eingesetzt werden. Dabei muss lediglich die Geometrie des Rahmens an den jeweiligen Anwendungszweck angepasst werden, der prinzipielle Aufbau kann jedoch unverändert bleiben.
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Weiterhin können die Hauptrohre aus kohlefaserverstärktem Kunststoff ausgebildet sein und die Kohlenstofffasern als Geflecht vorliegen. Faserverstärkte Kunststoffe weisen eine thermoplastische oder duroplastische Matrix auf, insbesondere aus einem Harz, bspw. einem Epoxidharz, wobei in der Matrix Verstärkungsfasern angeordnet sind. Diese Fasern können als Glas-, Kohle-, Aramid- und/oder Basaltfasern ausgebildet sein. Es ist auch denkbar, Kombinationen dieser Fasermaterialien zu verwenden. Grundsätzlich können die Fasern in Form eines Gelege, Gewebe und/oder Geflecht vorgesehen sein. Insbesondere bei faserverstärkten Kunststoffbauteilen, die in Hohlprofilbauweise hergestellt sind, bietet das Vorsehen eines Verstärkungsfasergeflechts sich an. Geflechte bieten den Vorteil einer hohen mechanischen Eigenstabilität und lassen sich fertigungstechnisch besonders sinnvoll einsetzen, zur Herstellung von Hohlprofilbauteilen.
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Darüber hinaus kann der Rahmen zumindest abschnittsweise mindestens ein Schalenelement aufweisen. Das Schalenelement kann ebenfalls aus faserverstärktem Kunststoff ausgebildet sein. Alternativ dazu können auch rein thermoplastische oder duroplastische Kunststoffe ohne Verstärkungsfasern verwendet werden. Solche Kunststoffe sind nicht völlig frei von Faser, sondern können kurze Glas- und/oder Kohlenstofffasern als Füllfasern aufweisen, die jedoch nur geringfügig zu den mechanischen Eigenschaften des Schalenelements beitragen. Das Schalenelement übernimmt dabei positionierende Funktion, indem es die Hauptrohre in vorbestimmten Ausrichtungen zueinander hält. Gleichzeitig ist das Schalenelement eine Außenschale oder eine Innenschale des Rahmens und fungiert auch als Verkleidungsteil.
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In einer Ausführungsform kann der Rahmen vier Hauptrohre umfassen, wobei jeweils zwei Hauptrohre spiegelsymmetrisch zueinander um eine Längsmittelebene des Motorrads angeordnet sind. Dies bietet den Vorteil einer weiter erhöhten Sicherheitsfunktion, da nun vier einzelne voneinander unabhängige Strukturelemente geschaffen werden. Eine Schadensausbreitung von einem Element zum nächsten ist nicht möglich. Eine gleichzeitige Beschädigung aller vier Strukturelemente ist unwahrscheinlich bzw. nur durch eine äußerst schwere Havarie denkbar. In einem solchen Fall wäre eine Weiterbenutzung des Motorrads ohnehin nicht denkbar.
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Weiterhin kann auf zumindest einem Abschnitt der Oberfläche eines inneren Schalenelements ein Hitzeschutz vorgesehen sein. Selbstverständlich kann der Hitzeschutz die Oberfläche des inneren Schalenelements auch vollständig abdecken. Dieser Hitzeschutz verhindert eine Beschädigung der kohlefaserverstärkten Bauteile durch Hitzeentwicklung, die von dem Verbrennungsmotor ausgeht, in Fahrbetrieb des Motorrads.
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Weiterhin kann der Rahmen mindestens ein Verstärkungsrohr aufweisen, das zumindest abschnittsweise um das Steuerrohr herum angeordnet ist und mit dem Steuerrohr und/oder einem Hauptrohr verbunden ist. Solche Verstärkungsrohre erhöhen die Stabilität das Motorradrahmens zusätzlich und dienen als Träger für das Schalenelement.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Rahmens für ein Motorrad. Mit den Schritten Erzeugen von Hauptrohren aus faserverstärktem Kunststoff und Verbinden der Hauptrohre zu einem Rahmen.
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Weiterhin können die Rohre zum Verbinden in ein Werkzeug eingebracht, in einer vorbestimmten Position zueinander ausgerichtet und anschließend mit mindestens einem Schalenelement aus faserverstärktem Kunststoff zueinander fixiert werden. Als Werkzeug eignen sich dabei insbesondere ein Autoklav, ein RTM-Werkzeug und/oder ein Nasspresswerkzeug. Das Schalenelement bildet eine stoffschlüssige Verbindung mit den Hauptrohren und fixiert diese in einer vorbestimmten Position, die auch nach dem Entfernen des Rahmens aus dem Werkzeug beibehalten wird.
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Darüber hinaus können zum Ausrichten der Hauptrohre in einer vorbestimmten Position zueinander, die Hauptrohre auf mindestens einen Blasformkern und/oder mindestens einen Schaumkern angeordnet werden.
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Weiterhin können die Hauptrohre im Pultrusionsverfahren, im Wickelverfahren und/oder im Flechtverfahren hergestellt werden. Diese beiden Verfahren bieten den Vorteil, dass bei der Herstellung ein geringer Verschnitt entsteht. Alternativ dazu können die Hauptrohre auch im Nasspressverfahren erzeugt werden, wobei zur Erzeugung des Hohlraums im Inneren des Rohrs ein Kernsystem verwendet wird. Ein druckstabiler, geschlossen poriger Kern wird mit Fasern belegt, d. h. umwickelt oder umflochten und anschließend in ein Nasspresswerkzeug eingelegt. Durch Beaufschlagung mit Temperatur und/oder Druck wird das Matrixmaterial ausgehärtet
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figurenbeschreibung näher erläutert. Die Ansprüche, die Figuren und die Beschreibung enthalten eine Vielzahl von Merkmalen, die im Folgenden im Zusammenhang mit beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert werden. Der Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln und in anderen Kombinationen betrachten, um weitere Ausführungsformen zu bilden, die an entsprechende Anwendungen der Erfindung angepasst sind.
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Es zeigen in schematischer Darstellung:
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1 eine perspektivische Ansicht eines Motorradrahmens,
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2a eine perspektivische Ansicht des Motorradrahmens ohne Schalelement,
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2b eine Schnittansicht durch einen Motorradrahmen gemäß einer alternativen Ausführungsform,
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2c eine Schnittansicht durch die in 2b dargestellt Ausführungsform entlang der Schnittlinie A-A,
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3a eine perspektivische Ansicht eines Motorradrahmens, der auf ein Unterwerkzeug aufgebracht ist, und
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3b eine perspektivische Ansicht eines Motorradrahmens, beim Entfernen vom dem Unterwerkzeug.
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In den 1 und 2a ist ein Motorradrahmen 10 abgebildet, der eine Mehrzahl von Hauptrohren 11 umfasst. Dabei sind beispielhaft zwei Hauptrohre 11 linksseitig und zwei Hauptrohre 11 rechtsseitig einer Längsmittelebene des Motorrads angeordnet. Jedes der Hauptrohre 11 ist an einem seiner Enden mit einem Steuerrohr 12 verbunden und erstreckt sich im Wesentlichen in Längsrichtung des Motorrads zum Motorradheck. Das Steuerrohr 12 ist am vorderen Ende des Motorradrahmens 10 angeordnet. Zusätzlich sind Verstärkungsrohre 14 vorgesehen, die um das Steuerrohr 12 herum verlegt sind und sich ebenfalls in Längsrichtung des Motorrads nach hinten zum Heck erstrecken. Die Hauptrohre 11 sind über Querstreben bzw. Querverbindungen 15a, 15b im hinteren Bereich des Rahmens 10 verbunden. Dadurch ist der Rahmen 10 in sich geschlossen und weist eine hohe Verbindungssteifigkeit auf.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, sind die Hauptrohre 11 und die Verstärkungsträger 14 mittels eines äußeren Schalenelements 13a und mittels eines inneren Schalenelements 13i verbunden. Auf der Oberfläche des äußeren Schalenelements 13a zeichnen sich die Konturen der Verstärkungsträger 14 ab. Zwischenräume zwischen den Hauptrohren 11 oder zwischen Hauptrohren 11 und Verstärkungsträgern 14 sind durch die Schalenelemente 13i, 13a verdeckt. Die beiden Schalenelements 13i, 13a können auch ineinander übergehen, so dass sie den Gesamteindruck eines einzelnen Schalenelements erwecken. Dies geschieht, indem beim Erzeugen des Rahmens 10 die beiden Schalenelemente miteinander gefügt werden. Der Rahmen 10 vermittelt ästhetisch den Eindruck, als ob es sich um einen einzigen Träger mit einem großen Querschnitt handelt, der aus faserverstärktem Material gebildet ist. Tatsächlich verbirgt sich unter den Schalenelementen 13a, 13i jedoch die in 2 gezeigte Rohrstruktur. Auf einer Oberfläche des inneren Schalenelements 13i, die dem Rahmeninneren zugewandt ist, können Hitzeschutzeinrichtungen vorgesehen sein. Ein solcher Hitzeschutz kann bspw. In Form eines speziellen Harzes, als Folie aus Aluminium oder Silber oder auch als spezielle hitzeresistente Lackierung ausgebildet sein. Ein solcher Hitzeschutz kann auch auf den Oberflächen der Rohre 11 oder der Verstärkungsträger 14 vorgesehen sein, die zum inneren Schalenelement 13i gerichtet sind.
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In den 2b und 2c ist eine alternative Ausführungsform des Motorradrahmens 10 gezeigt. In dieser Variante umfasst der Motorradrahmen 10 vier Hauptrohre 11, wobei auf jeder Seite des Motorradrahmens 10 zwei Hauptrohre 11 angeordnet sind. Jedes dieser Hauptrohre 11 bildet ein Hohlprofil mit einem in sich geschlossenen Querschnitt. Dadurch weist der Rahmen 10 in dieser Ausführungsform vier strukturell voneinander unabhängige Einheiten auf. Bei Beschädigung oder vollständigem Versagen einer der Kammer 11 gewährleisten die anderen Kammern die Tragfähigkeit des Rahmens 10. Dies wird durch die Schnittansicht in 2c deutlich. Sie zeigt einen Querschnitt durch die in 2b dargestellte Variante des Rahmens 10 entlang der Schnittlinie A-A. Beide Hauptrohre 11 werden von dem Schalenelement 13 umfasst, das wie bereits oben beschrieben aus zwei einzelnen Schaltenteilen, einem äußeren Schalenelement 13a, und einem inneren Schalenelement 13i ausgebildet sein kann.
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3a zeigt eine Werkzeughälfte 20, auf der mehrere Hauptrohre 11 und mehrere Verstärkungsträger 14 angeordnet sind. Durch Vorsehen eines oder mehrerer Schaumkerne 21 werden die Hauptrohre 11 und die Verstärkungsträger 14 in vorbestimmten Abständen zueinander positioniert und ausgerichtet. Anstatt von Schaumkernen 21 können auch Blasformkerne oder Blasflechtschläuche verwendet werden. In einem weiteren Verfahrensschritt wird auf die zueinander vorpositionierten Hauptrohre 11 und Verstärkungsträger 14 ein Halbzeug aufgebracht, das später das äußere Schalenelement 13a bildet. Ein solches Halbzeug kann bspw. ein Prepreg, d. h. eine Fasermatte mit vorimprägnierten Fasern sein. Diese Fasern sind mit Harz vorimprägniert, das durch Beaufschlagen mit Druck und/oder Temperatur je nach Matrixmaterial aushärtet bzw. erstarrt. Nachdem das Halbzeug auf die in 3a gezeigte Bauteilanordnung aufgebracht wurde, wird die Baugruppe in ein Autoklav eingebracht, und mit Temperatur und/oder Druck beaufschlagt.
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Alternativ dazu kann anstatt einem Prepreg auch eine trockene Fasermatte als Halbzeug, zur Ausbildung des Schalenelements 13a, verwendet werden. Dabei wird das Halbzeug als geflochtene, gewebte Fasermatte oder als Fasergelege auf die in 3a gezeigte Bauteilanordnung aufgebracht und in einer vorbestimmten Position ausgerichtet. Danach wird die vorkonfektionierte Baugruppe in ein RTM-Bauteil eingebracht und mit Harz infiltriert. Das Harz durchdringt die Faserlage des Halbzeuges, das das Schalenelement ausbildet und verbindet sich mit dem Harz der Hauptrohre 11 und der Verstärkungsstruktur 14.
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Analog zu der Erstellung der Aussenschale 13a kann in beiden alternativen des Verfahrens eine Innenschlae 13i erzeugt werden. Dazu wird ein Halbzeug, als Prepreg oder aus trockenen Fasern an dem Unterwerkzeug 20 angeordnet. Danach werden die Hauptrohre 11 und die Verstärkungsträger 14a auf dem Halbzeug positioniert und gegebenenfalls noch ein Halbzeug zur Ausbildung der Aussenschale 13a aufgesetzt. Je nach Material der Halbzeugs wird dieses dann in einem RTM-, Nasspresswerkzeug oder einem Autoklaven weiterverarbeitet.
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In beiden Ausführungsformen des Verfahrens entsteht eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Schalenelement 13i, 13a und dem Verstärkungsträger 14 bzw. den Hauptrohren 11. Nach dem Aushärten bzw. Erstarren der Matrix werden die Kerne 21 entfernt. Selbstverständlich können die Kerne auch in dem fertiggestellten Rahmen 10 verbleiben, jedoch wirkt sich dies nachteilig auf das Gewicht des Rahmens aus.
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Abschließend wird der Rahmen 10 von der Werkzeughälfte 20 entfernt, wie in 3b gezeigt.
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Durch Auswahl der Dicke der Kerne 21 und der Bereiche, in denen die Kerne 21 angeordnet sind, wird die Position und der Verlauf der Hauptrohre 11 sowie der Verstärkungsträger 14 gesteuert. Damit können die Eigenschaften des Rahmens 10 eingestellt werden. Dabei kann insbesondere auf die Eigensteifigkeit des Rahmens Einfluss genommen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1897793 B1 [0002]
- DE 4224120 [0003]
