Innovation für urbane Mobilität dank simulationsgestützter Entwicklung
Die rasanten Fortschritte in der Fahrradtechnik und -konstruktion sind zu einem großen Teil auf neuartige Ansätze im Produktentwicklungsprozess zurückzuführen, wie z.B. die computergestützte Modellierung und der frühzeitige Einsatz von Simulationswerkzeugen. Diese Methoden, die auch unter dem Begriff "simulationsgestütztes Engineering" bekannt sind, spielen eine entscheidende Rolle bei Radiate Engineering & Design, um die Leistung und die Sicherheit zukünftiger Fahrradsysteme zu verbessern.
Gleich gegenüber dem neuen, imposanten, in grauem Anthrazit gestrichenen Polizei- und Justizzentrum in Zürich steht noch ein Überbleibsel der industriellen Vergangenheit Zürichs. In diesem Gebäude mit viel Industriecharme wird leidenschaftlich an der Gestaltung der Zukunft des Radfahrens und der urbanen Mobilität gearbeitet. Bei Radiate Engineering & Design entstehen Ideen, die weit über gewöhnliche Tüfteleien hinausgehen. Hier werden innovative Konzepte entwickelt, konstruiert und berechnet, getestet und in industrialisierbare Produkte überführt. Schon früh setzte Radiate auf die Integration von Simulationstechnologien in den Entwicklungsprozess, was sich als echter Meilenstein erwies. Der Einsatz fortschrittlicher Engineering-Tools und -Technologien ermöglicht eine erhebliche Zeit- und Kostenreduzierung im Designprozess. Gleichzeitig verbessert es die Innovationsfähigkeit und verringert Unsicherheiten - Vorteile, die von den Kunden sehr geschätzt werden.
Herausforderungen und Lösungen für eine ganz neue Kategorie von E-Bikes
Moderne E-Bikes gehen weit über die Funktionalität eines klassischen Fahrrads für den Freizeitgebrauch hinaus. Tatsächlich hat die Kategorie der E-Bikes in den letzten Jahren eine nie dagewesene Vielfalt an Modellen mit unterschiedlichen Funktionen und Einsatzmöglichkeiten erlebt. Die Grenzen zwischen Fahrrädern und Fahrzeugen verschwimmen zunehmend, beispielsweise bei SPACs (Speed Pedelecs) und Cargo Bikes. Dank des technologischen Fortschritts werden diese Modelle mehr und mehr als Alternative zu Autos und anderen Verkehrsmitteln im städtischen Umfeld betrachtet. Moderne E-Bikes, wie S-Pedelecs und Cargo Bikes, stellen neue Herausforderungen an das Design. Es ist notwendig, die Konstruktionselemente und strukturellen Anforderungen zu überdenken. Das liegt daran, dass die Rahmen größeren Belastungen ausgesetzt sind als bei herkömmlichen Fahrrädern.
Rahmen und Komponenten müssen nicht nur das zusätzliche Gewicht tragen, sondern auch höhere dynamische Kräfte bei grösseren Geschwindigkeiten und plötzlichen Stopps sowie die erhöhten Belastungen durch den Transport von Lasten bewältigen. Die Herausforderung für die Industrie besteht nicht nur darin, das Design neu zu gestalten, sondern auch sicherzustellen, dass diese Designs den Sicherheits- und Leistungsstandards entsprechen.
Hier scheinen die bestehenden Normen, wie ISO 15194 und DIN 79010, zu kurz zu greifen. Sie bieten zwar eine Grundlage, erfassen aber nicht vollständig die Nuancen und Feinheiten, die für die Entwicklung moderner E-Bike-Systeme erforderlich sind. Die Ingenieure von Radiate sind mit dieser Situation konfrontiert und stehen vor der Herausforderung, die Wünsche von Endkunden und Herstellern gleichermaßen umzusetzen. Wie lässt sich das bewerkstelligen?
Parallel zur Entwicklung laufende Strukturanalyse
Ein Beispiel dafür ist das Speed-Pedelec "OPIUM" der Schweizer Marke Revolt Zycling. Das OPIUM ist ein leistungsstarkes Langstrecken-E-Bike mit einer Akkukapazität von 1600Wh, 280 km Reichweite, einem Nabenmotor mit 930 W Nennleistung und einer daraus resultierenden Höchstgeschwindigkeit von 45 km/h. Die Marke OPIUM wird mit dem Slogan "#Yournextcar" beworben, was ein klares Ziel impliziert: Teil der Mobilitätswende zu sein und typischen Pendlern eine schnelle, zuverlässige und umweltfreundliche Alternative zum Auto zu bieten. Bei der strukturellen Entwicklung des OPIUM standen die Aspekte Markteinführung, Zuverlässigkeit und Produktrobustheit im Vordergrund. Produktrobustheit im Vordergrund. Der gesamte Projektzeitrahmen war extrem kurz und von der Idee bis zur Markteinführung wurden nur wenige Monate benötigt. Ein solch ehrgeiziger Zeitrahmen erlaubt keine zeitaufwändigen Iterationen mit verschiedenen Prototypen-Schleifen. Schon die allerersten funktionalen Prototypen müssen auf dem höchsten Entwicklungsstand sein, um zeit- und kostenintensive Intervalle mit Zulieferern zu vermeiden.
So wurde bereits in einer sehr frühen Konzeptphase des Projekts eine digitale Darstellung und ein flexibles 3D- und Simulationsmodell erstellt, in dem alle Designkonzepte direkt auf ihre strukturelle Auswirkung und Machbarkeit geprüft werden konnten. Während der Entwicklung des OPIUM wurden gleichzeitig Strukturanalysen des Rahmens und der Strukturkomponenten (Anbauteile) durchgeführt. Die Erkenntnisse und Ergebnisse flossen kontinuierlich in den Entwicklungs- und Optimierungsprozess ein.
Die vielseitige Simulationsumgebung ermöglichte es, die Standardlastfälle und darüber hinaus speziell definierte Designlastfälle einfach zu implementieren, um den gesamten Zulassungsprüfzyklus im Voraus digital abzubilden. Auf diese Weise konnte sichergestellt werden, dass bereits die ersten Prototypen-Rahmen die gesamte Testreihe ohne Ausfall durchlaufen.
Dabei sind nicht nur die strukturellen Anforderungen extrem wichtig, sondern auch die Performance. Wie fühlt sich das Fahrrad unter Fahrbedingungen an? Wie ist seine Steifigkeit? Ist es steiff genug, aber dennoch nachgiebig und damit komfortabel? All diese Fragen können während der Entwicklung dank der flexiblen Simulationsumgebung, die die Entwicklung begleitet, beantwortet werden.
Zum Beispiel ist die strukturelle Integrität der hochbelasteten Schaltgetriebehalterung unter zyklischer Ermüdungsbelastung entscheidend.
Mit ANSYS Mechanical wurde eine detaillierte Designuntersuchung des Bauteils durchgeführt, um die optimale Geometrie zu finden, die allen kritischen Lastfällen standhält und den Gewichtsanforderungen gerecht wird.
Jonas Schmid, Mitglied der GeschäftsleitungMit der fortschrittlichen Struktursimulationssoftware von ANSYS können wir die Leistung jeder Fahrradkomponente unter einer Vielzahl von Szenarien analysieren und vorhersagen. Wir können dann das Design entsprechend anpassen, um die Stabilität, Haltbarkeit, Sicherheit und das allgemeine Fahrverhalten zu verbessern.
Um dies tun zu können, ist eine flexible Entwicklungsumgebung erforderlich, in der es möglich ist, extrem schnell zwischen dem 3D-Modell im CAD und der Simulationsumgebung zu iterieren. Dies wird in idealer Weise durch die ANSYS Workbench Umgebung abgedeckt.
Parameterstudie für die Definition von Rohrwandstärken
Ein weiteres Beispiel in der Kategorie der kompakten Lastenräder ist das "Toolbike No 01", der Zürcher Marke MONoPOLE. Auffallend anders konzipiert, strebt das in der Schweiz entwickelte und in den französischen Pyrenäen handgeschweißte und montierte E-Lastenrad danach, mehr als nur ein Werkzeug für das städtische Leben zu sein.
Als das Unternehmen an Radiate herantrat, war die Entwicklung des Produkts bereits weit fortgeschritten und es existierten 3D-CAD-Daten des aktuellen Rahmenkonzepts sowie ein erster funktionaler Prototyp. Das Team hinter dem Toolbike No 01 stand jedoch vor der Herausforderung, die gegebene Geometrie strukturell zu verbessern, da die ersten Prototypen unter extremer Belastung nicht so gut abschnitten wie erwartet. Dem Fahrrad fehlte der ursprünglich beabsichtigte ruhige Antrieb: Bei einem Prototyp, der während der Fahrt mit einem voll beladenen Gepäckträger vibrierte, wurde eine Eigenfrequenz von 17,6 Hz gemessen.
Die Ingenieure von Radiate machten sich daran, eine Analyse durchzuführen und mögliche Maßnahmen für Optimierungsiterationen zu ergreifen, um die Struktur zu verbessern. Ziel war es, die Fahrleistung zu verbessern und einen stabilen Rahmen zu erhalten, während das Gewicht so gering wie möglich gehalten werden sollte. Zu diesem Zweck wurde eine Parameterstudie durchgeführt, in der verschiedene Rohrwandstärken für zwei kritische Belastungsfälle berechnet und getestet wurden: Stand-/Aufprallbelastung und Ermüdung des Tretlagers.
Die Analyse zeigte, dass die Wandstärken der Rohre tatsächlich optimiert werden konnten. Durch eine leichte Erhöhung der Wandstärken bestimmter Rohre um 0,5 mm konnte eine um 20% höhere Eigenfrequenz und ein insgesamt stabilerer Rahmen erreicht werden.
Timothy Habermacher, Mitglied der GeschäftsleitungBei Radiate Engineering and Design ist die Zusammenarbeit mit CADFEM und der hochentwickelten ANSYS-Software von zentraler Bedeutung. Sie versetzt uns in die Lage, die Standards der Fahrradentwicklung durch rigorose CAE- und FE-Analysen zu erhöhen und sicherzustellen, dass unsere Designs nicht nur hochmodern, sondern auch sorgfältig konstruiert sind.
Die gründliche Bewertung der Hauptrahmenstruktur und die Optimierungsiterationen führten zu schnellen Verbesserungszyklen für Geometrie und Fahrverhalten. Der optimierte Toolbike No 01 Rahmen hat nicht nur eine robuste und dauerhafte strukturelle Integrität, sondern fühlt sich auch beim Fahren angenehm an. Folglich wurde das innovative Fahrrad auf der jüngsten EUROBIKE Messe im Juni 2023 mit dem prestigeträchtigen "Startup Award" ausgezeichnet.
Der Innovationsdrang bei Radiate Engineering & Design ist unübersehbar. Angesichts der Grundlage, die das Unternehmen durch die Integration von "simulationsgesteuertem Engineering" gelegt hat, ist das Team bereit für weitere Innovationen im Bereich des Radfahrens und der urbanen Mobilität in den kommenden Jahren. Durch die Verflechtung von Ingenieurskunst und Simulationsexzellenz wird Radiate Standards und Erwartungen neu definieren und die Grenzen des Möglichen im Fahrraddesign verschieben.
