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Leichtbaurahmen Air Fahrräder, Motorfahrräder, Motorroller, Möbelgestelle,
Gerüste, Rohrleitungssysterne u.dgl. lZahinen, insbesondere für Fahrräder, Motorfahrräder,
Motorroller, Möbelgestelle, Rohrleitungssystenie u. dgl., bestehen vorzugsweise
aus runden oder ovalen Rohren, die durch Löten, Schweißen oder unter Verwendung
von Schrauben oder Nieten direkt oder mittels Verbindungsmuffen zusammengefügt und
fest verbunden werden. Im Leichtbau kommt es möglichst darauf an, daß jedes Teil
so ausgeführt ist, daß es bei geringstem Eigengewicht sämtliche Beanspruchungen
mit der erforderlichen Sicherheit aushält. Herstellungskosten und oft auch das Aussehen
spielen dabei eine wesentliche Rolle. An sich steht eineVielzahl von Stahlsorten,
Leichtmetallen, Kunststoffen und anderem hierzu zur Verfügung. Die bisher gebräuchlichen
Verfahren zur Verbindung dieser Teile untereinander schränken jedoch diese Auswahl
sehr ein. So ist der Konstrukteur häufig in erster Linie an die Löt- bzw. Schweißfähigkeit
gebunden.
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Für gute Schweißverbindungen ist die Werkstoff -auswahl nicht groß.
;Da beim Löt- und Schweißverfahren hohe Verarbeitungstemperaturen auftreten, sind
auch hier an die chemische Beschaffenheit und Beständigkeit der zu verbindenden
Teile besondere Anforderungen gestellt. Hinzu kommt, daß nicht nur die Festigkeit
der eigentlichen Verbindung, sondern auch die Gefügeänderungen im Material berücksichtigt
werden müssen. Hierdurch ist auch der Einsatz von Leichtmetall für derartige Konstruktionen
begrenzt und vor allem eine wünschenswerte Kombination mit andersartigen Werkstoffen
in den meisten Fällen unmöglich gemacht.
An sich kann bei Schrauben-
oder Nietverbindungen eine beliebige Werkstoffzusammensetzung der zu verbindenden
Teile gewählt werden. Im Leichtbau sind jedoch nur in einigen Fällen derartige Verbindungen
möglich, da hier außerdem noch Zugänglichkeit, Gewicht, Dauerfestigkeit, Korrosionsfragen,
Preis u. a. bei der Konstruktion besonders berücksichtigt werden müssen.
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Es ist schon mehrfach vorgeschlagen worden, Konstruktionsteile durch
Klebeverbindungen zu vereinigen, wozu sich vor allem etwa die für die Lötung üblichen
Muffenverbindungen eignen würden. Es zeigte sich nun, daß die Eigenschaften der
Flächenhaftung bei Klebeverbindungen in weitem Maße unabhängig von der Verschiedenheit
der verwendeten Materialien zur Geltung kommen. Auf Grund der hierbei auftretenden
niederen Verarbeitungstemperaturen treten auch keine merklichen Veränderungen bei
den meisten in Frage kommenden Leichtwerkstoffen und Stählen auf. In der Konstruktion
und in der Werkstoffauswahl lassen sich damit ganz neuartige und vor allem für den
hoch beanspruchten Leichtbau vorteilhafte technische Lösungen ermöglichen.
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Da die Eigenschaften der Kunstharzbindemittel an sich bekannt sind
und von den Lieferanten im einzelnen angeführt werden, da des weiteren feststellbar
ist, welchen Beanspruchungen die einzelnen Verbindungsstellen ausgesetzt sind (sei
es, daß diese erhebliche ruhende statische Beanspruchungen oder aber auch wechselnde
Stoßbeanspruchungen aushalten müssen), da man die Möglichkeit hat, sich mit den
Festigkeitseigenschaften des jeweils zur Verwendung gelangenden Werkstoffes für
die Rahmenteile vertraut zu machen, ergibt sich gleichsam eine individuelle Durchentwicklung
der Gesamtkonstruktion, sowohl was die Materialwahl als auch was die Kombination
verschiedener Werkstoffe anbelangt.
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So wird z. B. dem Spannungszustand, wie er in einem hochbeanspruchten
Leichtbaurahmen vorliegt, durch den Erfindungsgedanken Rechnung getragen, indem
in besonders beanspruchten Zonen Mäterialien Verwendung finden, die für spezielle
Belastungen geeignet sind, und an weniger beanspruchten Stellen Werkstoffe eingesetzt
werden, die den Festigkeitsansprüchen genügen und in bezug auf Gewicht, Oberflächenbeschaffenheit,
Bearbeitung u. a. günstigste Voraussetzungen erfüllen. Infolge richtiger Weiterentwicklung
dieser Gedankengänge kommt man z. B. bei einem Fahrradrahmen aus Rohr- oder Profilteilen,
die unter Verwendung von Muffen,od. dgl. vereinigt sind, zu einer Ausführung, bei
der charakteristisch ist, daß diejenigen Rahmenteile, die geringeren Festigkeitsanforderungen
unterworfen sind (also vornehmlich beim üblichen Herrenrad das obere Rahmenrohr
und das Sitzrohr bzw. beim üblichen Damenrad das obere Rahmenrohr und Teile des
Sitzrohres sowie gegebenenfalls in beiden Fällen der Hinterbau des Rahmens), aus
Leichtstoffen, wie Leichtmetall, Kunststoff od. dgl., bestehen, während Rahmenteile,
die höheren Festigkeitsansprüchen zu entsprechen haben (wie beispielsweise bei den
üblichen Herren-und Damenrädern das untere Rahmenrohr bzw. beim Damenrad das untere
Teil des Sitzrohres bis üaber die Abzweigung des oberen Rahmenrohres oder nur ein
Teil des unteren Rahmenrohres auf der Seite der unteren Steuerkopfmuffe), aus einem
Metall besonders hoher Festigkeit, wie beispielsweise Stahlrohr, bestehen.
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Bei Gegenüberstellung eines Rahmens, bei dem die Baugrundsätze der
Erfindung Verwendung finden, mit einem Rahmen, dessen Teile ausschließlich z. B.
aus Stahl bestehen, zeigt sich, daß mindestens bei gleicher Festigkeit eine Gewichtsersparnis
von etwa 30% erzielt werden kann. Darüber hinaus verleiht die Kombination mit Leichtmetall-
oder Kunststoffteilen dem Rahmen ein besseres Aussehen, beispielsweise durch blanke
oder eingefärbte Leichtmetalloberflächen. Auch in anderer Hinsicht ergeben sich
weitere Vorteile. Würde z. B. ein Fahrradrahmen aus Stahlteilen entsprechend den
Vorzügen der Kunstharzverbindung mit extrem dünnwandigen Rohren ausgerüstet, die
an sich den Festigkeitsansprüchen genügen und einigeGewichtsersparnis ergeben, so
zeigen sich durch die elastischen Eigenschaften, die fehlende Materialdämpfung dieser
Werkstoffe bei den in der Praxis auftretenden Schwingungsbeanspruchungen unerträgliche
Fahreigenschaften. Durch die vorgeschla-. gene Kombination geeigneter Werkstoffe
ergeben sich auch in dieser Hinsicht günstige Ergebnisse.
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In Gegenüberstellung mit einem Rahmen, dessen Rahmenteile ausschließlich
z. B. aus Leichtmetall bestehen, ergeben sich vor allem Vorteile in bezug auf die
Festigkeit des Rahmens (die Pt-,ufdauer auf dem Rahmenprüfstand bei dynamischer
Beanspruchung liegt im Durchschnitt weit über 5o1/o höher bei erheblich geringeren
Schwankungen dieser Werte). Auch wirtschaftlich ist die vorgeschlagene Bauart günstiger.
Der relativ niedere Elastizitätsmodul, relativ geringe Dauevvechselbeständigkeit,
vor allem bei Biegebeanspruchungen u. a., lassen sich bei Leichtbaustoffen, wie
Leichtmetall, oder Kunststoffen nicht ohne weiteres durch Maßnahmen, wie Querschnittserhöhungen,
ausgleichen. Ganz abgesehen davon, daß sich dadurch der Materialpreis und das Gewicht
nicht unerheblich erhöhen würden, ohne in allen Fällen die unbedingt erforderliche
Sicherheit zu erreichen. Mangelnde Steifigkeit, Dämpfungseffekte bei Schwingungsbeanspruchung
u. a. lassen sich durch die vorgeschlagene Kombination verschieden gearteter Werkstoffe
günstig beeinflussen.
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Ein weiterer Vorteil gegenüber einem Rahmen, der ganz aus Leichtmetall
besteht, ergibt sich, wenn Anbauteile, dauernde oder auswechselbare Anschlüsse,
Festhaltevorrichtungen, Abzweigungen, Laschen usw. vorgesehen sind (beispielsweise
am Fahrradrahmen, Pumpenhalter, Befestigungsvorrichtungen für Schutzbleche oder
Lichtmaschinen). An Leichtmetall- oder Kunststoffteilen müssen zu diesem Zweck die
bekannten Befestigungsmittel, wie Schrauben- oder Nietverbindungen, Klemmlaschen
oder Klemmschellen, unter Anwendung von Federkraft,
Nieten oder
Schrauben ti. a. verwendet werden, deren Nachteile, wie Schmutzecken, hervorstehende
Kanten, Kostspieligkeit, mangelhafte Sicherheit und höheres Gewicht u. a., in Kauf
genommen werden müssen. In vielen Fällen ist eine Anbringung durch Löten oder Schweißen
rationeller, formschöner und sicherer. Die Verwendung von löt- oder schweißbaren
Werkstoffen bei einzelnen Bauteilen ermöglicht oft die günstigere Lösung.
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Die Gedankengänge der E, rfindung lassen sich auch auf eine große
Zahl anderer Konstruktionen anwenden und treten vor allen Dingen besonders dort
günstig in Erscheinung, wo es darauf ankommt, bei möglichster Gewichtseinsparung
und rationeller Bauweise hohe Festigkeiten bei größtmöglicher Sicherheit zu erzielen.
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Der Erfindungsgedanke mag noch weiterhin an einigen Beispielen erläutert
werden.
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Beispiel i Im Fahrradrahmenbau bestehen die Rahmenrohre z. B. ans
geschweißten oder nahtlos gezogenen dünnNvandigen Stahlrohren hoher Festigkeit und
Elastizität. Die niedrigen Verarbeitungstemperaturen bei der Rahmenfertigung erlauben
die Verwendung besonders verfestigter Stahlsorten. Das Tretlagergehäuse ist ein
komplizierter Knotenpunkt im unteren Teil des Rahmens. Das bisher übliche Metallötverfahren
oder Schweißen machte ein Gehäuse aus Stahlguß oder ein gezogenes Stahlblechteil
erforderlich. Als Temperguß genügt es zwar den Anforderungen an die Maßtoleranzen,
es ist aber schwer und teuer in der Bearbeitung. Als ein aus Stahlrohr oder Blech
gezogenes Teil wird es dagegen fertigungsmäßig billiger und ist leichter, aber die
Maßtoleranzen können nicht eingehalten werden. Dieser Rahmenteil als Druckguß- oder
Gesenkteil aus Leichtmetall hergestellt, ergibt bei geringeren Bearbeitungskosten
und geringerem Gewicht die gewünschte -Nfaßgenauigkeit.
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Beispiel 2 Bei der Verwendung von Rahmenrohren aus Leichtmetall kann
es aus Gründen der Stabilität und Festigkeit angebracht seiu,verschiedene Muffenverbindungen
in geschweißtem Stahlblech auszuführen. So ist die Verbindung vom unteren Rahmenrohr
zum Steuerkopfrohr erfahrungsgemäß besonders hohen und verschiedenartigenFestigkeitsbeanspruchungen
ausgesetzt, so daß an dieser Stelle die Verbindung der Leichtmetallrohre mittels
Stahlblech- oder Stahlgußteilen empfohlen werden kann. .Stich eignen sich für derartig
beanspruchte Stellen z. 13. Preß- oder Spritzteile aus Kunst-, stoffen, die
vorzugsweise mit Verstärkungseinlagen aus -Nletall versehen sind. Auch können in
dem geklebten Rahmen aus Gründen der Festigkeit oder des Aussehens ein oder mehrere
Rahmenrohre aus Stahl oder Kunststoff bestehen.
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Beispiel 3
In manchen Fällen, bei denen die Klebeverbin-(hingenTemperaturschwankungen
unterworfen sind, ergibt erfindungsgemäß das Eingießen oder Einpressen von Hülsen
desselben Werkstoffes wie das Gegenstück eine haltbarere Verbindung. Beispielsweise
in die Druckgußtretlagermuffen eines Fahrradrahmens, die mit Stahlrohren des Rahmens
durch Klebung zu verbinden waren, werden Stahlhülsen eingegossen. Bei Temperaturbeanspruchungen
über 70' C zeigen sich durch diese Maßnahme merkliche Verbesserungen der
Festigkeit der Klebeverbindungen insofern, als sie nicht mehr durch den Unterschied
des Wärmedehnungskoeffizienten von Stahl bzw. von Leichtmetall beeinflußt wird.
Muffenausführungen aus Kunststoffen mit eingepreßten Hülsen aus dem Material des
Gegenstückes ergeben dieselben günstigen Ergebnisse, wenn es gelingt, die Hülsen
genügend fest im Muffenmaterial zu verankern.
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Beispiel 4 Der Erfindungsgedanke wird am Beispiel einer Ausführungsart
eines Rohrrahmensitzgestelles erläutert, wie er z. B. im Fahrzeug- oder Möbelbau
gebräuchlich ist. Bekanntlich ist der Bogen vom Sitzteil zur Rückenlehne besonders
hohen Biegebeanspruchungen unterworfen. Für ein Rahmengestell, das ausschließlich
aus I-eichtinetallrohr besteht, m#üßte die Wandstärke des Rohres sehr stark sein.
Diese Maßnahme ist teuer und ergibt durch den relativ niedrigen Elastizitätsmodul
von Leichtmetall ungenügende Sicherheit gegenüber den Festigkeitsansprüchen. Erfindungsgemäß
wird z.B. an dieser Stelle das Leichtmetallrohr durch Stahlrohr ersetzt und mittels
Kunstharzbindung vorzugsweise durch Muffenverbindung mit dem übrigen Rahmen verbunden.
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Ähnliche Beispiele bieten z. B. Gepäckträgerrahmen im Fahrzeugbau,
bei denen erfindungsmäß in der Nähe der Aufhänge- oder Befestigungsstelle, also
den Zonen der größten Materialbeanspruchung, Stahl oder Messingbauteile Verwendung
finden, während Rahmenteile mit geringeren Festigkeitsanforderungen aus Leichtmetall
oder Kunststoffen bestehen. Vorteile des Aussehens und des Gewichtes treten auch
hier gegenüber reinen Stahlkonstruktionen in Erscheinung usw.
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Beispiel 5
An einer Ausführungsart eines Sitzgestelles nach
Beispiel 4 sind zur Anbringung des Rückenpolsters durch Verschraubung Befestigungslaschen
mit den hierfür passenden Bohrungen anzubringen. Da Klemmlaschen aus Festigkeits-,
Sicherheits- und Gewichtsgründen nicht zu empfehlen sind, wird vorgeschlagen, das
Rahmenrohr an den betreffenden Stellen durch Stahlrohr mit aufgeschweißten Laschen
zu ersetzen und durch Klebung mit den übrigen Rahmenrohren zu verbinden.