Montag, 3. Oktober 2022
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EquipmentIntegrierte Scheibenbremsen und ihre Funktion

Integrierte Scheibenbremsen und ihre Funktion

Die Bremssättel des “E-119 Tri+ Disc” von Argon 18 sind im Rahmen integriert, was aerodynamische Vorteile mit sich bringen soll.

Scheibenbremsen sind aus modernen Rädern nicht mehr wegzudenken. Sie stehen für zuverlässige Bremsleistung, und das selbst unter widrigen Bedingungen. Als einziger Wermutstropfen bei Triathlonbikes wurde bislang lediglich die schlechtere Aerodynamik im Vergleich zu Felgenbremsen genannt. Dieser Herausforderung hat sich Argon 18 gestellt und die Bremssättel beim neuen Topmodell “E-119 Tri+ Disc” im Rahmen integriert. Hier könnt ihr einen Blick hinter die Kulissen der Entwicklung und Forschung werfen.

Bei der Umstellung auf Scheibenbremsen geht es nicht nur darum, neue Bremsen in einen Rahmen einzubauen. Argon 18 hat neue Layups entwickelt, um die Steifigkeit und das Handling der aktuellen Generation von Bikes mit Scheibenbremsen zu verbessern. Nachdem diese Leistungsziele erreicht wurden, ging es um die Aerodynamik. Wie kann der Nachteil von Scheibenbremsen vermieden werden?

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2016 wurde auf der Eurobike ein Konzeptrad vorgestellt, das viel Aufmerksamkeit erregte. Das Feedback war so positiv, dass einige der Funktionen für die Serienmodelle übernommen werden sollten. Das Fahrrad enthielt einen frühen Prototyp des späteren Notio-Staurohrs zur Messung der Aerodynamik sowie in die Gabelstruktur integrierte und teilweise darin versteckte Bremssättel.

Ein Konzeptdesign ist genau das – ein Konzept. Die größte Herausforderung bei diesem Design bestand darin, dass der Bremssattel weniger dem Luftstrom ausgesetzt war und sich daher stärker erhitzen konnte als bei einer normalen Konfiguration. Während der Bremssattel Temperaturen bis zu dem Punkt standhalten kann, an dem das Bremsöl versagt, beginnen die mechanischen Eigenschaften der Gabelstruktur aus Verbundwerkstoff bei etwa 120 Grad Celsius zu sinken.

Um das Konzept in die Realität umzusetzen, entstand eine Zusammenarbeit mit TRP, um die erste integrierte Scheibenbremse zu entwickeln, die das Problem der Überhitzung vollständig löst und die aerodynamischen Nachteile von Scheibenbremsen kompensiert.

Die Entwicklung des Prototypen

Die beiden Hauptprobleme, die es zu lösen galt, waren die Überhitzung und die Anforderung an die Einstellbarkeit der Bremssättel, selbst wenn sie in den Rahmen integriert waren.

In den ersten Konzepten war die Hälfte des Bremssattels direkt auf dem Gabelbein angebracht, die andere Hälfte war mit diesem verschraubt. Das sorgte dafür, dass die erforderliche Einstellbarkeit des Bremssattels nicht möglich war. Das Problem bekam die Konstrukteure in den Griff, indem sie zu einer verschraubten Verbindung zwischen Bremssattel und Gabel zurückkehrten. Anstatt die Hälfte des Bremssattels als Teil der Gabel zu haben, würde diese Bauweise die Hälfte des Bremssattels vollständig umschließen, um ihn besser zu integrieren.

Die innere Mechanik und die Hydraulik des Bremssattels wurden in Zusammenarbeit mit TRP entwickelt, wobei reguläre Innenteile wiederverwendet wurden, die auch bei bestehenden Produkten zum Einsatz kommen: Kolben und Dichtungen zum Beispiel. Anschließend wurden Prototypen dieses Bremssattel-Designs hergestellt.

Um diese Prototypen testen zu können, wurde eine Testgabel benötigt. Sie verwendeten eine vorhandene Argon-18-Gabel, die auf der Seite des Bremssattels abgeschnitten und mit einem speziell angefertigten Gabelbein aus Verbundwerkstoff oder einer “Hülle” verbunden wurde. Die Hülse umfasste das Ausfallende, das Gehäuse und die Bremssattelbefestigungen sowie einen Teil der linken Gabelhülse. Die Öffnung im Bremssattelgehäuse diente dazu, Lamellen zur besseren Kühlung über den Bremssattel zu führen. Der Prototyp verfügte über Scheibenbremsen mit einem Schnellspanner – obwohl man davon ausging, dass das endgültige Design des Bremssystems eine Steckachse sein würde, konnte man zu diesem Zeitpunkt der Tests keine Unstimmigkeiten bei der Verwendung der vorhandenen Schnellspanner-Gabel feststellen.

Es ist zwar eine Herausforderung, Prototypen mit Verbundwerkstoffen zu bauen, aber in diesem Fall war es notwendig, um festzustellen, ob die von der Bremse erzeugte Wärme bei dem Design ein Problem darstellen würde.

Es wurden Analysen zur Verformung des Bremssattels durchgeführt, um die Steifigkeit des Bremssattels beim Bremsen (geringe Verformung) zu gewährleisten, damit eine optimale Leistung garantiert werden kann.

Die Testgabel wurde nicht nur komplett selbst entwickelt, sondern auch am Hauptsitz von Argon 18 hergestellt. Das Forschungs- und Entwicklungsteam verfügt über ein hohes Maß an Know-how in diesem internen Prototyping- und Fertigungsprozess. Der herkömmliche Entwicklungsprozess erfordert die Bearbeitung einer Form, um Carbonfaser-Testteile herzustellen, aber in diesem Fall wusste man, dass mehrere Design-Iterationen erforderlich sein würden, und wollte den Prozess beschleunigen. Die firmeneigenen Fertigungsfähigkeiten und -anlagen ermöglichen diesen schnellen, iterativen Prozess nach genauen Vorgaben.

Der Lagenaufbau wurde zunächst mit Hilfe einer FEA-Analyse auf der Grundlage der im Haus verfügbaren Prepregs (mit Harz vorimprägnierte Verstärkungsfasern) entwickelt. Dann wurde das Lagenbuch entworfen und die Prepreg-Lagen gezeichnet und verschachtelt, um sie auf den Prepreg-Bögen zu schneiden. Die Form für den Prototyp des Gabelbeins aus Verbundwerkstoff wurde zunächst mit einem 3-D-Drucker hergestellt. Ein Muster wurde hergestellt und auf eine Gabel geklebt, die dann in einer Ermüdungsprüfanlage getestet wurde, um sicherzustellen, dass alle Sicherheits- und Leistungstests durchgeführt werden konnten.

Die verwendete Gabel war für Felgenbremsen ausgelegt und benötigte daher eine zusätzliche Verstärkung am Gabelkopf, um dem Druck von Scheibenbremsen standzuhalten. Da für eine annehmbare Testgabel mehrere Gabelbeinproben erforderlich waren, wurde eine Aluminiumform hergestellt, da diese haltbarer ist.

Leistungstests

Nachdem ein Prototyp entwickelt war, wurde dieser getestet. Während der Tests wurden die Temperatur der Gabel, des Bremsbelags, des Bremssattels und der Umgebungstemperatur aufgezeichnet.

Die ISO-Prüfung besteht aus zwei verschiedenen Tests: der Bremsleistung und der Hitzebeständigkeit. Bei der Bremsleistung wird geprüft, ob mit einer kontrollierten Kraft am Bremshebel eine ausreichende Bremskraft und ein ausreichender Bremsweg erreicht werden können. Bei der Hitzebeständigkeit wird eine konstante Kraft auf den Hebel ausgeübt und geprüft, ob eine ausreichende Bremsleistung für eine bestimmte Zeit aufrechterhalten werden kann. Der Prototyp hatte den Bremsleistungstest bestanden, aber nicht mit ausreichendem Vorsprung für unsere eigenen internen Standards – die über den ISO-Normen liegen.

Man stellte fest, dass der Bremsleistungstest durch die Mechanik des Bremssattels selbst beeinflusst wurde – genauer gesagt, durch die Art und Weise, wie er sich unter Druck beim Bremsen verformt. Auf der Grundlage von Messungen am tatsächlichen Prototyp und FEA-Analysen wurden Änderungen am Design für die nächste Iteration empfohlen.

Diese Analysen wurden in den verschiedenen Entwicklungsphasen verwendet, um die beste Kühlungsstrategie für die Bremssättel und -beläge zu gewährleisten und das Risiko einer Überhitzung zu vermeiden.

Um sicherzugehen, dass die Grenzwerte für die Hitzetests eingehalten werden, wurde die Konstruktion des Bremssattels überarbeitet, um seine Öffnung zu begrenzen. Zudem wurden kleinere Bremsbeläge verwendet. Das neue Design wurde mittels FEA (Finite Element Analysis) validiert und erneut getestet. Zu dieser Lösung gehörte auch die Konstruktion eines Luftkanals, ein Merkmal, das beim ersten Prototyp, der getestet wurde, nicht vorhanden war. Die Ergebnisse der Tests zeigten, dass die Kühlung des Bremsbelags von entscheidender Bedeutung ist, weshalb der Kanal hinzugefügt wurde. Auch dieses endgültige Design hat alle Sicherheits- und Leistungstests bestanden.

Die Tests ergaben, dass die Gabel unter normalen Bedingungen bei der Hitzebeständigkeitsprüfung eine Höchsttemperatur von 65 °C erreicht. Diese Temperatur ist im Hinblick auf mögliche Hitzeschäden, die dazu führen würden, dass die Verbundstoffstruktur ihre mechanischen Eigenschaften verliert, unbedenklich, und sie hat alle ISO-Testprotokolle bestanden.

Aerodynamische Auswertung

Das endgültige Design musste nun auf die Probe gestellt und ein Vergleich der Aerodynamik der integrierten Scheibenbremse mit einer Standard-Scheibenbremse durchgeführt werden. Mithilfe einer CFD-Analyse des vorderen Bremssattels fand man heraus, dass die Aerodynamikverbesserung der integrierten Scheibenbremse im Vergleich zu herkömmlichen Scheibenbremsen bei einer Fahrleistung von 300 Watt auf einer ebenen Straße einen Vorteil von einem Watt bietet. Dies entspricht einer Einsparung von zehn Sekunden auf 100 Kilometern (flache Strecke). Zudem wurde ein Rückgang des CdA-Wertes um 25 Prozent festgestellt, wenn man den Bremssattel, die Scheibe und die umgebende Gabeloberfläche betrachtet.

Lokale Bewertungen der Auswirkungen der Bremssättel auf die aerodynamische Leistung wurden durchgeführt. Der Hauptvorteil darin, dass der hydraulische Mantel verschwindet. Die Bilder zeigen die Analysen in den verschiedenen Entwicklungsstadien.

Das “E-119 Tri+ Disc” ist das erste Rad, in dem die Technologie zum Einsatz kam. Hier findet ihr weitere Informationen zum Bike sowie zu Argon 18.

Redaktion triathlon
Redaktion triathlonhttps://tri-mag.de
Die Redaktion der Zeitschrift triathlon und von tri-mag.de sitzt in Deutschlands Triathlonhauptstadt Hamburg im Stadtteil Altona. Das rund zehnköpfige Journalistenteam liebt und lebt den Austausch, die täglichen Diskussionen und den Triathlonsport sowieso. So sind beispielsweise die mittäglichen Lauftreffs legendär. Kaum ein Strava-Segment zwischen Alster und Elbe, bei dem sich nicht der eine oder andere spomedis-Mitarbeiter in den Top Ten findet ...
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