-
Die
Erfindung bezieht sich auf eine Fahrrad-Tragstruktur mit einem mit
Kohlenstofffasern verstärkten
Kunststoff-Teil.
-
Zur
Herstellung leichter Fahrradrahmen werden in Fahrrad-Tragstrukturen
mit Kohlenstofffasern in einem Mehrschichtverbund verstärkte Kunststoff-Teile
verwendet. Diese Kunststoff-Teile weisen in der Regel ein linear-elastisches
Verhalten auf. Wegen der geringen Bruchdehnung und Spröde der Kohlenstofffasern
zeigen die Kunststoffteile keine nennenswerte plastische Verformung,
und brechen bei einer zu hohen Belastung plötzlich. Dies betrifft in einer
Fahrrad-Tragstruktur insbesondere die Teile, die hohen Biegemomenten
ausgesetzt sein können, nämlich Steuerkopf,
Gabelschaft, Gabelbein etc. Bei Fahrrad-Tragstrukturen in sogenannter
Differentialbauweise sind ferner die Anbindungsstellen zwischen
den Kunststoffteilen und den Metallteilen problematisch.
-
Wenn
die genannten Kunststoff-Teile plötzlich auseinander brechen,
können
hieraus schwere Unfälle
resultieren. Ferner stellen die Bruchstellen eine Gefahrenquelle
für schwere
Verletzungen dar.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es dem gegenüber,
eine Fahrrad-Tragstruktur mit einem verbessertem Bruch-Verhalten
zu schaffen.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einer
Fahrrad-Tragstruktur mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
-
Die
erfindungsgemäße Fahrrad-Tragstruktur weist
an oder in dem Kunststoffteil zusätzlich Sicherungsfasern auf,
die nicht aus Kohlenstoff bestehen, sondern aus einem Werkstoff
bestehen, der bei einem Bruch des Kunststoffteiles die auseinander
brechenden Teile zusammenhält
und sichert. Hierdurch kann einerseits der mechanische Zusammenhalt
der Tragstruktur auch im Bruch-Fall weitgehend erhalten werden,
so dass ein Verunfallen aus diesem Grunde meistens vermieden werden
kann. Ferner wird durch die Sicherungsfasern in der Regel auch die
Offenlegung oder Zugänglichkeit
der Bruchstellen und -kanten vermieden, da die auseinander gebrochenen
Teile mehr oder weniger zusammenhalten werden und die Bruchkanten
auf diese Weise unzugänglich
bleiben.
-
Durch
das Vorsehen separater Sicherungsfasern zusätzlich zu den Kohlenstofffasern,
können Sicherungsfaser-Materialien
gewählt
werden, die zu der Festigkeit der Tragstruktur keinen Beitrag liefern müssen, sondern
ausschließlich
bezüglich
Ihrer Eignung zur Erhöhung
der Sicherheit für
den Bruch-Fall ausgewählt
werden können.
-
Vorzugsweise
bestehen die Sicherungsfasern aus einem Material, das eine Bruchdehnung
von mehr als 3,5 % aufweist. Während
Kohlenstofffasern eine Bruchdehnung von 0,8 bis 2,2 % aufweisen,
weisen die Sicherungsfasern einen ungefähr doppelt so hohen Bruchdehnungswert
auf.
-
Als
Material für
die Sicherungsfasern können beispielsweise
Metallfasern oder Metalldrähte
dienen. Als Sicherungsfasern können
auch nicht metallische Fasern, beispielsweise Aramidfasern verwendet
werden.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform haben
die Sicherungsfasern jeweils eine Länge von mindestens 10 mm. Da
die Sicherungsfasern im Wesentlichen dazu dienen, Bruchenergie abzubauen und
Bruchteile zusammen zu halten, müssen
sie in den beiden durch den Bruch voneinander getrennten Bruchteilen
sicher verankert sein. Hierzu ist eine Mindestlänge von 10 mm vorteilhaft.
-
Vorzugsweise
weisen die Sicherungsfaser-Enden jeweils ein Ankerelement auf, mit
dem sie in dem Kunststoffteil fest verankert sind. Ein Ankerelement
kann in Form von einer geschlossenen Bucht, in Form eines Hackens,
eines T-förmigen Endes
oder auf andere Weise ausgebildet sein. Durch ein Ankerteil kann
ein Herausrutschen der Sicherungsfaser aus einem der Bruchteile
bei entsprechender Zugbelastung vermieden werden.
-
Vorzugsweise
sind die Sicherungsfasern in mindestens zwei Lagen in dem Kunststoffteil
angeordnet. Zusätzlich
oder alternativ können
die Sicherungsfasern in einer einzigen Lage radial außen der Kohlenstofffaser-Lage angeordnet sein.
Die Sicherungsfaser-Lage bildet also die äußerste Faserlage in dem Kunststoffteil.
-
Vorzugsweise
sind die Sicherungsfasern außen
glatt ausgebildet, können
jedoch auch profiliert ausgebildet sein. Bei profilierter Ausbildung
haben die Sicherungsfasern einen guten Halt in dem Kunststoffteil.
Bei glatter Sicherungsfaser-Oberfläche können die Sicherungsfasern im
Bruch-Fall aus dem Kunststoff-Teil herausgezogen werden und auf
diese Weise Bruchenergie abbauen und die Bruchbewegung abbremsen.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung sind die Sicherungsfasern nicht geradlinig
verlegt, sondern beispielsweise wellen- oder mäanderartig. Hierdurch wird
ein relativ sanftes Eingreifen der Sicherungsfasern im Bruch-Fall gewährleistet,
da die Sicherungsfasern jedenfalls teilweise quer zur Bruchkraft
liegen und zunächst
unter weiterer Materialzerstörung
des Kunststoffteils in Richtung der Bruchkräfte ausgerichtet werden.
-
Das
Kunststoff-Teil, das mit den Sicherungsfasern verstärkt ist,
kann die gesamte Fahrrad-Tragstruktur oder nur Teile der Tragstruktur
bilden. In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist das Kunststoff-Teil
ein Steuerkopf, Gabelschaft, Gabelbein und/oder Rohr-Endabschnitt
der Tragstruktur. Diese Teile sind an einer Fahrrad- Tragstruktur
besonders bruchgefährdet.
-
Im
folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher
erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 eine
Fahrrad-Tragstruktur aus mit Kohlenstofffasern verstärkten Kunststoff
in Seitenansicht, wobei einige Kunststoffteile zusätzlich mit
Sicherungsfasern verstärkt
sind, die nicht aus Kohlenstoff bestehen,
-
2 eine
Vorderrad-Gabel der Tragstruktur der 1 in Vorderansicht,
-
3 einen
Querschnitt eines als Gabelbein ausgebildeten Kunststoff-Teiles
mit Sicherungsfasern der Vorderrad-Gabel der 2.
-
4 einen
Querschnitt eines Kunststoff-Teiles an einer Stoßkante zu einem Metall-Kopplungsteil,
und
-
5 eine
Sicherungsfaser
-
In
der 1 ist eine Fahrrad-Tragstruktur 10 dargestellt,
die im Wesentlichen von dem Rahmen 12 und der Lenkergabel 14 gebildet
wird.
-
Der
Rahmen 12 besteht aus mehreren geradlinigen Rohren 16 aus
mit Kohlenstofffasern verstärktem
Kunststoff. Die Rohre 16 sind durch Metall-Kopplungsteile 25, 26, 27 miteinander
verbunden, die eine Sattelstütze,
ein Tretlager und eine Hinterradaufnahme aufweisen.
-
Auch
die Lenkergabel 14 besteht aus mit Kohlenstofffasern verstärktem Kunststoff.
Die Lenkergabel 14 weist mehrere Teile 20, 21, 22 auf,
die zusätzlich
durch im wesentlichen in Längsrichtung verlaufende
Sicherungsfasern 34 verstärkt sind. Diese Teile, 20, 21, 22 sind
der Steuerkopf, der Gabelschaft sowie die beiden Gabelbeine.
-
Ferner
sind die Übergänge bzw.
Stoßkanten zwischen
Endabschnitten der Rohre 16 und den jeweiligen Metall-Kopplungsteilen 25, 26, 27 durch
Sicherungsfasern 34 verstärkt und überbrückt, die auf die Außenseite
aufgebracht sind, wie in 4 dargestellt.
-
Während die
Kohlenstofffasern eine Bruchdehnung von 0,8 bis 2,2 % aufweisen,
weisen die Sicherungsfasern 34 einen Bruchdehnung von mehr als
3,5 % auf. Die Sicherungsfasern 34 haben jeweils mindestens
eine Länge
von 10 mm, können
jedoch auch erheblich länger
oder als Endlosfasern ausgebildet sein. Die Sicherungsfasern 34 bestehen
aus Metall, sind also Metalldrähte
bzw. -fasern. Als Sicherungsfasern können auch Aramidfasern oder
andere Kunstfasern mit einer Bruchdehnung von mehr als 3,5 % verwendet
werden.
-
Die
Sicherungsfaser-Enden können
ein Ankerelement 41, 42 aufweisen, beispielsweise,
wie in 5 dargestellt, eine Bucht und/oder einen Haken, wodurch
die Sicherungsfasern 34 in Längsrichtung in Bezug auf Zuglasten
sehr fest in dem Kunststoff-Teil verankert sind.
-
Die
Sicherungsfasern 34 unterscheiden sich von den Kohlenstofffasern
vor allem dadurch, dass die Sicherungsfasern 34 sich auch
plastisch verformen lassen, und dadurch viel Energie absorbieren können.
-
Die
Sicherungsfasern 34 sind an der Außenseite glatt, so dass sie
in dem sie aufnehmenden Hohlraum unter Überwindung der Reibungskräfte verrutschen
können.
Hierbei wird ebenfalls Energie abgebaut.
-
Wie
in 3 erkennbar ist, ist das Kunststoff-Teil 20 mehrlagig
aufgebaut. Eine radial innere und äußere Lage 30, 32 wird
jeweils aus Kohlenstofffaser-Matten
gebildet. Eine radial mittlere Lage 33 dazwischen wird
von den Sicherungsfasern 34 gebildet, die im Wesentlichen
in axialer Vorzugsrichtung verlaufen. Die Sicherungsfasern 34 können jedoch auch
mäanderartig
in axialer Vorzugsrichtung verlaufen. Die Sicherungsfasern 34 können auch
nicht-axial einander überkreuzend
verlaufend angeordnet sein.
-
Bei
Auftreten einer hohen Stoßbelastung kann
ein Bruch eines der durch Sicherungsfasern 34 verstärkten Kunststoff-Teile 20, 21, 22 bzw.
an einer Verbindungsstelle zwischen einem Rohr 16 und einem
Metall-Kopplungsteil 25–27 auftreten. Hierbei brechen
der Kunststoff und die Kohlenstofffasern auseinander. Die Sicherungsfasern 34 werden
plastisch verformt, reißen
jedoch nicht und halten die beiden auseinander gebrochenen Bruchstücke zusammen.
Hierdurch wird zum einen verhindert, dass die Tragstruktur vollständig auseinander
bricht. Hierdurch wird zum andern selbst im Falle eines Bruches der
Tragstruktur 10 die Gefahr, dass hierdurch ein schwerer
Unfall verursacht wird, erheblich verkleinert. Ferner halten die
Sicherungsfasern 34 die beiden auseinander gebrochenen
Bruchstücke
weitgehend versatzlos zusammen, so dass auch die Verletzungsgefahr
an den Bruchkanten der beiden Bruchstücke erheblich verringert ist.
Durch die Sicherungsfasern 34 wird nach einem Bruch der
Tragstruktur 10 eine gewisse Resttragfähigkeit der Tragstruktur 10 sichergestellt.
Hierdurch wird die Unfall- und
Verletzungsgefahr erheblich verringert.
-
Die
Sicherungsfasern können
in den Tragstruktur-Teilen auch in mehreren Lagen vorgesehen sein.
Es ist ebenso möglich,
dass die gesamte Tragstruktur durch Sicherungsfasern verstärkt ist.