Konstruktion und Fertigung einer Bremsanlage für ein Stuntmotorrad
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Konstruktion und Fertigung einer Bremsanlage für ein Stuntmotorrad
GRUNDIG AKADEMIE Fachschule für Technik Fachrichtung Maschinenbau Projektarbeit 2012/13 Thema: Konstruktion und Fertigung einer Bremsanlage für ein Stuntmotorrad vom Typ Honda CBR 600F PC35 Betreuende Lehrkraft: - Herr Steinbauer Kooperationspartner: - Schmidt & Söhne GmbH (Materialsponsor) Carl-Benz-Str. 20 D-57299 Burbach www.aluminium-shop24.de Abgabetermin: - 20.04.2013 Projektbearbeiter: Björn Loos – An der Wied 1B – 91058 Erlangen Klasse MAV4a Inhaltsverzeichnis 1 Vorwort…………………………………………………………………………………..…………………..1 2 Aufgabenstellung………………………………………………………………………………...........1 3 Planung………………………………………………………………………………………………………..2 3.1 Anforderungen……………………………………………………………………………………2 3.2 Zeitplan……………………………………………………………………………………………….3 3.3 Kostenplan………………………………………………………………………………………….3 3.4 Werkstoffauswahl……………………………………………………………………………….3 3.5 Komponentenauswahl………………………………………………………………………..4 3.5.1 Bremssattel……………………………………………………………………………..4 3.5.2 Bremsscheibe und Adapter………………………………………………….....4 3.5.3 Bremspumpen………………………………………………………………………5-6 3.5.4 Bremsleitungen……………………………………………………………………….7 4 4.1 Vermessen der Komponenten…………………………………………………………….7 4.2 Konstruktion Bremssattelhalter………………………………………………………….8 5 Fertigung Bremssattelhalter……………………………………………………………………9-11 6 Montage am Fahrzeug………………………………………………………………………………11 7 Projektbearbeiter: Entwicklung………………………………………………………………………………………………….7 6.1 Mechanik………………………………………………………………………………………….11 6.2 Hydraulik…………………………………………………………………………………………..11 6.3 Allgemeine Hinweise…………………………………………………………………………12 Testphase…………………………………………………………………………………………………..13 7.1 Testablauf…………………………………………………………………………………………13 7.2 Ergebnis…………………………………………………………………………………………….13 8 Fazit…………………………………………………………………………………………………………..14 9 Schlusswort…………………………………………………………………………..……………………14 Björn Loos – An der Wied 1B – 91058 Erlangen Klasse MAV4a Abbildungsverzeichnis Abb. 1: Angebaute Bremspumpe (schwarz), Bremsleitung (grün)…….………………..6 Abb. 2: Vermessungsaufbau……………………………………………………………………………..7 Abb. 3: Fertiger Entwurf………………………………………………………………………………………8 Abb. 4: Fertigung Bremssattelhalter……………………………………………………………………9 Abb. 5: Bremssattelhalter nach CNC Fertigung…………………………………………..……..10 Abb. 6: Einbringen der Bremssattelbefestigungsbohrungen………………….............10 Abb. 7: Montierte Bremsanlage………………………………………………………………………..12 Tabellenverzeichnis Tab. 1: Komponenten – Kosten……………………………………………………………………………3 Projektbearbeiter: Björn Loos – An der Wied 1B – 91058 Erlangen Klasse MAV4a Seite 1 von 14 1. Vorwort Sehr geehrte Damen, sehr geehrte Herren, während meiner beruflichen Weiterbildung zum staatlich geprüften Maschinenbautechniker an der Grundig Akademie Nürnberg belegte ich das Fach Projektarbeit. Als Thema wählte ich das Thema „Konstruktion und Fertigung einer Bremsanlage für ein Stuntmotorrad“. Mein besonderer Dank geht hierbei an die Firma Schmidt & Söhne GmbH welche mir das Rohmaterial kostenlos zur Verfügung stellte. In der folgenden Dokumentation stelle ich Ihnen den Ablauf der Durchführung von der Planung zur Entwicklung über die Fertigung bis zur Testphase vor. Mit freundlichen Grüßen, Björn Loos 2. Aufgabenstellung Das Ziel meiner Projektarbeit war es eine Bremsanlage für ein Motorrad vom Typ Honda CBR 600 F PC35 zu realisieren welche zukünftig für das Stuntfahren eingesetzt werden soll. Da sich dabei der rechte Fuß nicht immer auf der Fußraste befindet, muss die Hinterradbremse über eine zusätzliche Bremspumpe vom Lenker aus bedienbar sein. Aktuell wird das Problem durch mehrere Bremssättel gelöst, die jeweils von einer Bremspumpe (Fuß oder Hand) angesteuert wurden. In Anbetracht des technischen Fortschritts im Bereich von Motorradbremsanlagen sollte eine „Ein-Sattel“ Lösung entwickelt werden, bei der nur ein Bremssattel über mehrere Kreisläufe angesteuert wird. Projektbearbeiter: Björn Loos – An der Wied 1B – 91058 Erlangen Klasse MAV4a Seite 2 von 14 3. Planung 3.1. Anforderungen Funktionelle Anforderungen Die Bremsanlage muss so gebaut sein, dass sie höheren Temperaturen aufgrund von nahezu dauerhafter Betätigung länger standhält als die Serienmäßige (nach Möglichkeit, schwimmende Bremsscheiben). Die Dosierbarkeit soll verbessert werden, um möglichst genaue Bremsvorgänge zu ermöglichen. Besondere Umgebungs-einflüsse wie Staub, Schmutz etc. müssen nur in normalem (wie bei der serienmäßigen Anlage) Maße beachtet werden, da diese Maschine auf asphaltierten Strecken bewegt wird. Nichtfunktionelle Anforderungen Benutzbarkeit Der Betrieb dieser Anlage ist grundsätzlich nicht für den Betrieb innerhalb der STVO angedacht und erfordert somit keine allgemeine Betriebserlaubnis. Um für eine mögliche Zulassung gerüstet zu sein, wird ein Materialgutachten mit gefordert. Effizienz Montageaufwand ähnlich wie Originalanlage, unter Berücksichtigung des erhöhten Aufwandes durch den 2. Bremskreislauf. Übertragbarkeit Das System sollte durch einen geänderten Bremssattelhalter und Bremsscheibenadapter, auf andere Motorräder adaptierbar sein. Wartbarkeit Der Bremsflüssigkeitswechsel sollte innerhalb des normalen Zeitrahmens realisierbar sein, wobei aufgrund des zweiten Kreislaufs die doppelte Zeit angesetzt wird. Das Entlüften muss im eingebauten Zustand möglich sein. Projektbearbeiter: Björn Loos – An der Wied 1B – 91058 Erlangen Klasse MAV4a Seite 3 von 14 Das System soll bis auf die Verschleißteile (Bremsscheiben, Beläge und Flüssigkeit) wartungsfrei gestaltet werden. 3.2. Zeitplan Der anfänglich festgelegte Zeitplan wurde zu positiv entworfen und konnte neben der Weiterbildung zum Techniker so nicht eingehalten werden. Die Soll/ Ist Zeittabelle befindet sich im Anhang. 3.3. Kostenplan Das Budget für das gesamte Material ist auf maximal 1000€ festgesetzt und kann bei der Verwendung von neuen Komponenten eingehalten werden. Für den Bau des Prototyps werden allerdings teilweise gebrauchte Komponenten eingesetzt um dadurch das Materialbudget zu unterbieten. Komponente Bremssattel (Honda VFR 1200 SC53 – front links) Bremsscheibe (Braking – Yamaha R1 Rj01) Bremsscheibenadapter Bremspumpe (Lenker – Brembo Radial 16x18) Bremsleitungen (ABM Stahlflex 2m + 0,7m) Material Bremssattelhalter (AlZnMgCu1.5) Kleinteile (Schrauben, Loctite, …) Gesamte Materialkosten Gebrauchtpreis Neupreis 120€ 350€ 80€ 200€ 30€ 30€ 110€ 200€ 100€ 100€ 80€ 80€ 20€ 20€ 540€ 980€ Tabelle 1 Komponten - Kosten 3.4. Werkstoffauswahl Als Werkstoff für den Bremssattelhalter wird eine hochfeste Aluminiumlegierung eingesetzt. AlZnMgCu1.5 hochfest (3.4365) Diese Legierung hat Aluminiumwerkstoffs den mit Vorteil gleichzeitig die geringe ähnlichen Dichte eines mechanischen Eigenschaften einer Stahllegierung zu verbinden. Eine Schwachstelle dieses Werkstoffs ist seine geringe Korrosionsbeständigkeit, welche abschließend durch eine Eloxalschicht verbessert werden kann (aus Kostengründen wurde beim Prototyp darauf verzichtet). Projektbearbeiter: Björn Loos – An der Wied 1B – 91058 Erlangen Klasse MAV4a Seite 4 von 14 Werkstoffdaten: Zugfestigkeit: 500 N/mm² Rp0,2: 450 N/mm² Dichte: 2,78 kg/dm³ Elastizitätsmodul: 70´000kg/mm² 3.5. Komponentenauswahl 3.5.1. Bremssattel Als zur Verwendung geeigneter stellte sich der vordere linke Bremssattel einer Honda VFR 1200 heraus. Dieses Motorrad verfügt über das sogenannte Dual ABS System, bei dem die Bremskraft automatisiert an Vorder- und Hinterrad verteilt wird. Dieser Sattel verfügt über zwei Kreisläufe, von denen der Erste zwei Kolben (reguläre Fußbremse) und der Zweite vier Kolben („Lefthandbrake“ – zusätzliche Bremspumpe unterhalb der Kupplungsarmatur am Lenker) betätigt. 3.5.2. Bremsscheibe und Adapter Der unter vorigem Punkt beschriebene Bremssattel ist mit den Bremsscheiben des Models Honda VFR 1200 (Model SC63) und Yamaha YFZ1000R (Model Rj01) kompatibel. Wobei für die zuletzt genannte bereits Adapter auf dem Markt verfügbar sind, weshalb diese auch gewählt wurde. Vertrieben wird der angesprochene Adapter über den Stuntshop „Forstunt“ (www.forstunt.pl), welcher seit mehreren Jahren einer der führenden Hersteller für spezielle Motorrad Stuntteile im europäischen Markt ist. Projektbearbeiter: Björn Loos – An der Wied 1B – 91058 Erlangen Klasse MAV4a Seite 5 von 14 3.5.3. Bremspumpen Für die Auswahl der richtigen Bremspumpen wird das Übersetzungsverhältnis von der Fläche der Bremspumpe zu der kumulierten Fläche aller Bremskolben berechnet. Bei der Vorderradbremsanlage einer Honda VFR1200 (zweimal der gewählte Bremssattel) werden insgesamt zehn Kolben von einer 19mm Bremspumpe angesteuert, vier 30mm und sechs 27mm. (RECHTS: 2 * 30mm + 4 * 27mm; LINKS: 2 * 30mm + 2 * 27mm) Bremszylinderfläche: 6263,0 mm² Bremspumpenfläche: 283,5 mm² Berechnung des Übersetzungsverhältnisses =Ü 283,5 6263,0 ℎä ² = 0,0453 ² Bei der Lefthandbrake werden zwei 30mm und zwei 27mm Zylinder verwendet, daraus ergibt sich eine Bremszylinderfläche von 2559mm². Die optimale Bremspumpe wird mit folgenden Werten ermittelt. Bremszylinderfläche: 2559,0 mm² Übersetzungsverhältnis: 0,0453 ∗Ü 2559,0 Projektbearbeiter: ℎä 2 ∗ 0,0453 = 115,9 Björn Loos – An der Wied 1B – 91058 Erlangen = ² Klasse MAV4a Seite 6 von 14 Umrechnung Bremspumpenfläche zu Bremspumpendurchmesser 115,9 $ % 2∗4 = 12,15 Bezogen auf die Kraftübertragung (Übersetzungsverhältnis) wäre eine 12 mm Bremspumpe das Optimum. Um die Anforderungen bezüglich eines verbesserten Druckpunktes zu erfüllen, wird eine mit 16 mm Kolbendurchmesser gewählt. Dabei muss eine um den Faktor 1,78 erhöhte Handkraft aufgebracht werden, wobei sich gleichzeitig der Hebelweg reduziert (verbesserter Druckpunkt). Um eine hohe Qualität und Zuverlässigkeit zu gewährleisten wird ein Markenprodukt des Herstellers Brembo (Typ 16x18) verwendet. Abbildung 1 angebaute Bremspumpe (schwarz), Bremsleitung (grün) Da sich bei der Fußbremse das Übersetzungsverhältnis nur minimal ändert, wird die serienmäßig verbaute Bremspumpe weiterhin verwendet. Projektbearbeiter: Björn Loos – An der Wied 1B – 91058 Erlangen Klasse MAV4a Seite 7 von 14 3.5.4. Bremsleitungen Es werden ummantelte Stahlflexleitungen verwendet, da sich diese bei Druck weniger stark ausdehnen als Gummileitungen. Dadurch wird eine bessere Dosierbarkeit gewährleistet. Verbaut werden 0,7m für die Fußbremse (gerader Anschluss an der Bremspumpe und 60° abgewinkelt am Bremssattel) und 2,0m für die Lefthandbrake (gerader Anschluss sowohl an Bremspumpe als auch am Bremssattel). 4. Entwicklung 4.1. Vermessen der Komponenten Das Vermessen der Komponenten wird mit Hilfe von Stahlmaßstäben und Messschiebern durchgeführt. Dabei wird einerseits am originalen Bremssattelhalter als auch an dem Rad mit montierter Bremsscheibe gemessen. Abbildung 2 Vermessungsaufbau Projektbearbeiter: Björn Loos – An der Wied 1B – 91058 Erlangen Klasse MAV4a Seite 8 von 14 Die Maße, welche die höchste Genauigkeit fordern (z.b. Abstand der Bohrungen am Bremssattel), werden auf einer Fräsmaschine mit digitaler Anzeige bestimmt. Dabei wird ein Antaster mit 4mm Inventor 2013 Tastspitzendurchmesser verwendet. 4.2. Konstruktion Als Konstruktionsprogramm wird Autodesk (Studentenversion) verwendet, die damit erstellten Dateien können in diesem Programm in das IGS Format umgewandelt und direkt in die Software der CNC Fräsmaschine eingespielt werden. Als Aufnahmepunkte für den Bremssattelhalter werden die bereits am Motorrad vorhandenen verwendet. Es handelt sich hierbei um die Steckachse und die Drehmomentstütze. Die Achse positioniert den Bremssattelhalter, während die Drehmomentstütze das Drehmoment aufnimmt. Bei der gesamten Konstruktion wird darauf geachtet, alle nötigen Freiräume einzuhalten und die Fertigung mit möglichst wenigen Werkzeugen zu ermöglichen. Abbildung 3 Fertiger Entwurf Projektbearbeiter: Björn Loos – An der Wied 1B – 91058 Erlangen Klasse MAV4a Seite 9 von 14 5. Fertigung Bremssattelhalter Die Fertigung wird auf einer CNC Fräsmaschine durchgeführt, dadurch kann eine genaue Reproduzierbarkeit gewährleistet werden. Es wird mit einem Stirnumfangsfräser (Radius 4 mm) bei einer Drehzahl von 18.000 1/min gearbeitet. Der Vorschub wurde auf 800 mm/min festgelegt. Das Ausgangsmaterial weißt eine Größe von 250mm * 250mm * 30mm auf (kann für zukünftige Fertigung auf 180mm * 210mm * 30mm reduziert werden). Als erstes wird die Radäußere Seite bearbeitet. Im Anschluss wird die Aluminiumplatte Oberflächenkontur gedreht, der hergestellt. Fräser neu positioniert Nach Beendigung und die der Oberflächenbearbeitung wurden die Gravur, die Freiräume und die Abbildung 4 Fertigung Bremssattelhalter Projektbearbeiter: Björn Loos – An der Wied 1B – 91058 Erlangen Klasse MAV4a Seite 10 von 14 Außenkontur gefräst. Abbildung 5 Bremssattelhalter nach CNC Fertigung Die Bohrungen und Gewinde zur Befestigung des Bremssattels werden auf einer konventionellen Fräsmaschine eingebracht, da der Arbeitsbereich auf der zuvor verwendeten CNC Fräsmaschine nicht ausreichte. Abbildung 6 Einbringen der Bremssattelbefestigungsbohrungen Projektbearbeiter: Björn Loos – An der Wied 1B – 91058 Erlangen Klasse MAV4a Seite 11 von 14 Nach Beendigung dieser Arbeiten wird der gesamte Bremssattelhalter entgratet, danach ein Teil der Oberfläche mit feinem Schleifpapier (erst 800er, dann 1200er Körnung) geschliffen und anschließend poliert. 6. Anbau an Motorrad 6.1. Mechanik - Bremsleitung entfernen (Vorsicht – Bremsflüssigkeit tritt aus – Sicherheitshinweise beachten) - Abbau des originalen Bremssattels - Demontieren der Hinterachse - Kette aushängen - Hinterrad demontieren - Originale Bremsscheibe abbauen - Bremsscheibenadapter anbauen (Drehmoment: 20 Nm) - Bremsscheibe auf Adapter montieren (Drehmoment: 20 Nm) - Hinterrad in Schwinge einsetzen - Geänderten Bremssattelhalter einsetzen - Achse einsetzen und Achsmutter verschrauben (Drehmoment: 100Nm) - Bremssattel an Bremssattelhalter befestigen (Drehmoment: 35 Nm) - Bremspumpe an Lenker montieren 6.2. Hydraulik - Stahlflexleitungen verlegen (durch die Gabel – links am Tank vorbei – bis zum Heckrahmen – durchführen auf die rechte Seite – an Schwinge bis zum Bremssattel) Projektbearbeiter: - Bremsleitungen an Bremssattel befestigen (Drehmoment: 20 Nm) - Bremsleitungen mit Bremspumpen verbinden (Drehmoment: 20 Nm) - Bremsanlage befüllen - Entlüften mit Hilfe eines Vakuum Entlüfters Björn Loos – An der Wied 1B – 91058 Erlangen Klasse MAV4a Seite 12 von 14 Abbildung 7 Montierte Bremsanlage – Fußbremse (rot) & Lefthandbrake (grün) 6.3. Allgemeine Hinweise - Bei Arbeiten mit Bremsflüssigkeit sollten Handschuhe verwendet werden, da diese ätzende Eigenschaften aufweist. - Es empfiehlt sich die Schrauben des Bremssattels mit einer Schraubensicherung gegen Lösen abzusichern (hierbei empfiehlt sich Loctite mittelfest). - Die beschichteten ALOC Schrauben der Bremsscheibe dürfen aus Sicherheitsgründen nur einmal verwendet werden. - Bei der Verlegung der Stahlflexleitungen muss darauf geachtet werden, dass ein Radius von 50mm nicht unterschritten wird. - Nach Einbau der Bremsscheiben müssen die Reibflächen mit Bremsenreiniger gereinigt werden um mögliche Fettrückstände zu beseitigen. - Vor der ersten Fahrt sollte ein Bremsentest durchgeführt werden. - Neue Bremsscheiben müssen „eingebremst“ werden bevor sie maximal belastet werden können. Projektbearbeiter: Björn Loos – An der Wied 1B – 91058 Erlangen Klasse MAV4a Seite 13 von 14 7. Testphase Der Test der Bremsanlage wird auf einem abgesperrten Gelände durchgeführt. Hierbei wird überprüft ob die geänderte Anlage den geforderten Anforderungen entspricht. 7.1. Testablauf Durchgeführt werden Tests bezüglich der Bremskraft, des allgemeinen Ansprechverhaltens und der Temperaturbeständigkeit. Hierfür wird in direkter Folge, zehn mal aus 60 km/h mit maximaler Verzögerung abgebremst. Immer im Wechsel Hand und Fußbremse. Danach wird eine Pause von etwa 15 Minuten eingehalten um gleichmäßige Ausgangstemperaturen zu gewährleisten bevor der nächste Test gestartet wird. Insgesamt wird dieser Test, zehn mal durchgeführt dies entspricht 100 Bremsvorgängen. Nach diesen Tests wird der Bremssattelhalter demontiert, optisch auf Veränderungen geprüft und abschließend auf möglichen Verzug vermessen. 7.2. Ergebnis Das Bremsverhalten blieb über den Testzeitraum nahezu konstant (gute Temperaturbeständigkeit). Die Bremskraft und das Ansprechverhalten stellten sich mit den originalen (organischen) Bremsbelägen, leider als nicht zufriedenstellend heraus. Mit Sintermetall Bremsbelägen konnte dies jedoch deutlich verbessert werden und erfüllt nun die gestellten Anforderungen. Das Vermessen des Bremssattelhalters nach den Tests ergab keine messbare Veränderung. Projektbearbeiter: Björn Loos – An der Wied 1B – 91058 Erlangen Klasse MAV4a Seite 14 von 14 8. Fazit Die Bremsscheibe läuft nicht exakt mittig durch den Bremssattel, sie ist um etwa 0,5mm nach rechts (in Fahrtrichtung) versetzt. Um dies auszugleichen müssen künftig die Bohrungen zur Befestigung des Bremssattels um 0,5mm nach außen versetzt werden. Dadurch läuft die Bremsscheibe exakt mittig. Der Rest der Anlage entspricht voll und ganz den Anforderungen. 9. Schlusswort Durch die Bearbeitung dieses Projekts, konnte ich nun einen guten Einblick in die Abläufe der Projektbearbeitung erhalten. So konnte ich meine Stärken und Schwächen diesbezüglich ermitteln und mich verbessern. Meine Zeitplanung war leider zu positiv für die Bearbeitung neben dem regulären Unterricht. Solche Faktoren werde ich bei der nächsten Projektbearbeitung besser berücksichtigen. Alles in allem kann ich sagen, dass ich dieses Fach jederzeit wieder wählen würde. Die Unterstützung durch die Lehrkräfte und die Firmen war sehr gut! Projektbearbeiter: Björn Loos – An der Wied 1B – 91058 Erlangen Klasse MAV4a Erklärung Ich versichere durch meine Unterschrift, daß ich die vorstehende Projektarbeit selbständig und ohne fremde Hilfe angefertigt, alle Stellen, die ich wörtlich oder annähernd wörtlich aus Veröffentlichungen entnommen, als solche kenntlich gemacht und mich auch keiner anderen als der angegebenen Literatur oder sonstiger Hilfsmittel bedient habe. Die Arbeit hat in dieser oder in ähnlicher Form noch keiner anderen Prüfungsbehörde vorgelegen. Ort, Datum, Unterschrift