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
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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:
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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.
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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.
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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).
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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.
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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
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ℎä
2 ∗ 0,0453 = 115,9
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=
²
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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!
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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