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Die
Erfindung betrifft ein Fahrrad mit einem Fahrradrahmen, wobei der
Fahrradrahmen ein Steuerrohr, ein Oberrohr, ein Unterrohr, ein Sattelrohr, eine
Sattelstrebe und eine Kettenstrebe aufweist sowie nur eine einzige
Sattelstrebe und nur eine einzige Kettenstrebe vorhanden ist.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Fahrrades
mit einem Fahrradrahmen, wobei ein Steuerrohr, ein Sattelrohr und
zumindest eine Sattelstrebe, ein Oberrohr und ein Unterrohr aus
Faserverbundmaterial hergestellt wird.
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Aus
dem Stand der Technik sind unterschiedliche Fahrradrahmen bekannt.
Ein Fahrradrahmen stellt den Hauptbestandteil eines Fahrrades dar. Der
Fahrradrahmen ist das tragende Gestell eines Fahrrades, der das
Gewicht des Fahrers trägt
und dieses auf die Laufräder überträgt. Ein
Fahrradrahmen bildet das Grundgerüst, das ferner alle Komponenten
und Anbauteile des Fahrrades trägt.
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Es
gibt eine Vielzahl von unterschiedlichen Fahrradrahmengeometrien,
wie etwa Diamantgeometrien, Fachwerkgeometrien, Kreuzgeometrien, Trapezgeometrien,
Schwanenhalsgeometrien oder ähnlichem.
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Die
bekannteste Fahrrad rahmengeometrie wird als Diamantrahmen bezeichnet.
Ein solcher Diamantrahmen ist aus einem Trapez und einem Dreieck
gebildet, die eine gute Verteilung der Kräfteeinwirkungen gewährleisten.
Das Trapez bildet dabei den Hauptrahmen und wird im Wesentlichen
durch ein Oberrohr, ein Unterrohr, ein Sattelrohr und ein Steuerrohr
gebildet.
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Das
Steuerrohr ist dabei ein Rohr des Rahmens, welches vorne im Wesentlichen
vertikal angeordnet ist, und durch das die Gabel greift, welche
am Vorderrad befestigt ist. Das Oberrohr ist dabei ein im Wesentlichen
horizontal im Bereich des Steuerrohres angeordnetes Rohr, das in
Richtung des hinteren Bereiches des Fahrrades führt. Unterhalb des Oberrohres
ist das Unterrohr angeordnet und führt vom Steuerrohr nach unten
abfallend in den hinteren Bereich des Fahrrades. Bei Diamantrahmen
besteht eine Verbindung an den hinteren Enden von dem Oberrohr und
dem Unterrohr miteinander über
ein Sattelrohr. Das Sattelrohr wird auch als Sitzrohr in der Literatur
bezeichnet. Das Sattelrohr bildet zusammen mit zwei Sattelstreben
und zwei Kettenstreben einen sogenannten Hinterbau eines Fahrraddiamantrahmens.
Das Sattelrohr, die Sattelstreben, die ggf. auch als Sitzstreben
bezeichnet werden, und die Kettenstreben, bilden zusammen ein hinteres
Dreieck, das den Hinterbau bildet.
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Das
Trapez und das Dreieck haben als verbindendes Element das Sattelrohr
und ein Tretlagergehäuse.
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Am
Tretlagergehäuse
greifen die Kurbeln mit an ihren Enden angebrachten Pedalen an,
um die Drehbewegung eines Kettenblattes hervorzurufen. Das Kettenblatt
ist kraftübertragend
mit einem Ritzelpaket verbunden, das an dem Hinterrad angreift.
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Bei
einem herkömmlichen
Diamantrahmen wird eine Achse des Hinterrades durch zwei Ausfallenden
gehalten. Jedes Ausfallende ist auf einer Seite des Hinterrades,
d. h. auf einer Seite des Rahmens angeordnet. Jedes Ausfallende
ist dabei jeweils mit einer Kettenstrebe und einer Sattelstrebe
verbunden.
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Die
einzelnen Rohre, also Steuerrohr, Oberrohr, Unterrohr und Sattelrohr
sowie die Streben, werden im Stand der Technik entweder miteinander verklebt,
verschweißt
oder verlötet,
wenn diese aus Metall, wie etwa Stahl, Aluminium, Titan, Titanal und/oder
Magnesium, sowie entsprechenden Legierungen bestehen. Das Verbinden über „Muffen” findet dabei
nicht nur bei Metallrohren und Streben Anwendung, die aus Metall
gefertigt sind, sondern auch bei Rohren und Streben, die aus Faserverbundmaterialien
gefertigt sind.
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Das
Verbinden über
Muffen ist z. B. aus der
DE
692 13 007 T2 und der
US 6,270,104 B1 bekannt. Aus diesen Dokumenten
ist auch ein Fahrradrahmen bekannt, dessen Rohre und Streben aus
Faserverbundmaterial gefertigt sind.
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Die
DE 103 40 339 A1 offenbart
einen Fahrradrahmen, bei dem einzelne Rohre und Streben ineinandergesetzt
werden, und mit Verstärkungsfasern
umwickelt werden, um danach mit Harz auszuhärten. Die
DE 103 40 339 A1 offenbart
auch ein spezielles Verfahren zur Herstellung eines Fahrradrahmens.
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Die
Fertigung eines Fahrradrahmens mittels eines Aufblasverfahrens,
wobei Faserhalbzeuge über
einen aufblasbaren Schlauch gelegt werden, ist aus der
US 2007/0063383 A1 bekannt.
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Auch
die
US 6340509 B1 offenbart
ein Aufblasen und anschließendes
Verbinden über
Muffen von Rohren und Streben miteinander.
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Die
US 6109638 A offenbart
einen Faserverbundfahrradrahmen mit zwei Kettenstreben und Sattelstreben,
wobei jedoch statt des konventionellen vorderen Dreieckes des Diamantrahmens
eine „Y”-Lösung gewählt wird.
Dieser „Y”-förmige Teilfahrradrahmen
ist aus Faserverbundmaterial gefertigt.
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Aus
dem Stand der Technik wie etwa der
US 2005/0006872 A1 ist
auch das Verbinden von metallischen Rohren und Streben mit Faserverbundrohren und
-streben bekannt. Diesbezüglich
ist aus der
US 5,364,115
A das Verbinden von metallischen Ausfallenden mit Faserverbundsattel-
und Kettenstreben bekannt.
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Die
im Stand der Technik verwendeten und bekannten Fahrradrahmen haben
jedoch den Nachteil, dass sie aus vielen Einzelteilen bestehen,
was zu einem geringen Automatisierungsgrad führt. Die vielen Einzelteile
des Fahrradrahmens müssen
durch aufwendige Handarbeit zusammen verbaut werden. Dies bedingt
oftmals eine Fertigung in Niedriglohnländern.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fahrrad mit einem
Fahrradrahmen und ein Verfahren zum Herstellen eines Fahrrades mit
einem Fahrradrahmen der Allgemeinheit zur Verfügung zu stellen, wobei der
Fahrradrahmen schneller und einfacher, bei Einsatz geringerer monetärer Mittel
erreicht werden, und auch ein geringeres Gewicht bei höherer Steifigkeit
erzielt werden soll.
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Die
Lösung
wird entsprechend dem Gegenstand des Anspruches 1 erreicht.
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Durch
das Vorsehen nur einer einzigen Sattelstrebe und nur einer einzigen
Kettenstrebe, ist es möglich,
auf eine Kettenstrebe und eine Sattelstrebe zu verzichten. Dies
führt zu
einer Reduktion der Bauteile. Dadurch werden Kosten eingespart und
der Fahrradrahmen wird leichter. Letztendlich wird das Fahrrad in
Gänze leichter.
Die Steifigkeit wird durch ein dem Spannungsverlauf im Fahrradrahmen
entsprechendes Gestalten der einzelnen Rohre und Streben zu konventionellen
Rahmen vergleichbar steif oder sogar steifer ausgestaltet.
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Da
das Oberrohr und die Sattelstrebe aus einem gemeinsamen Bauteil
bestehen, wobei das Oberrohr bei der Herstellung durch ein Flechtverfahren
von Faserverbundmaterialien erreicht wird, ist es möglich, nach
dem Beenden des Oberrohrflechtens gleich nahtlos mit dem Sattelstrebenflechten
fortzufahren.
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Da
das Unterrohr und die Kettenstrebe aus einem gemeinsamen Bauteil
bestehen, ist es möglich,
das Unterrohr und die Sattelstrebe wiederum durchgängig aus
einem Bauteil zu fertigen. Dies führt erneut, wie schon beim
Oberrohr, zu einer Reduktion der Bauteile.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen werden in den Unteransprüchen beansprucht.
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Um
das Oberrohr mit dem Unterrohr fest zu verbinden, ist es von Vorteil,
wenn das Sattelrohr und das Steuerrohr das Oberrohr mit dem Unterrohr
verbindet. Durch die Verwendung von lediglich vier Bauteilen, wobei
zwei Bauteile die anderen zwei Bauteile, nämlich Steuerrohr und Sattelrohr
das Unterrohr und Oberrohr miteinander verbinden, müssen lediglich vier
steife Verbindungen geschaffen werden. Dies erleichtert den Fertigungsprozess,
kürzt ihn
ab und ermöglicht
das Vorhalten von unterschiedlich langen und dicken Rohren und Streben,
um unterschiedliche Fahrradrahmengrößen automatisiert herstellen
zu können.
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Wenn
das Sattelrohr und das Steuerrohr in jeweils eine Ausnehmung in
sowohl dem Oberrohr als auch dem Unterrohr eingreift, so können die
Verbindungstellen verklebt werden. Durch Verwendung von zusätzlichen
Verstärkungsfasern
können
die Verbindungen weiter verstärkt
werden, wobei noch höhere
Steifigkeits- und Festigkeitswerte für den Fahrradrahmen erreichbar
sind, als bei herkömmlichen
Diamantfahrradrahmen.
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Wenn
die Rohre und/oder Streben Kohlefasern, Glasfasern, Aramidfasern,
Hanffasern, Flachsfasern und/oder Sisalfasern umfassen, so sind
die Rohre und/oder Streben besonders leicht bezüglich ihres Gewichtes ausgestaltbar.
Dem Spannungsverlauf kann durch entsprechendes Anordnen der Faser Rechnung
getragen werden.
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Um
eine gute Haltbarkeit des Fahrradrahmens zu erreichen, ist es von
Vorteil, wenn die Rohre und/oder Streben eine Matrix aus Duroplast
oder Thermoplast aufweisen.
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Wenn
die Rohre und/oder Streben als Preform hergestellt sind und vorzugsweise
mit Harz infiltriert oder injiziert sind, so lässt sich ein Zusammenbau der
einzelnen Elemente besonders schnell und einfach realisieren.
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Besonders
steife und langlebige Fahrradrahmen lassen sich dann erreichen,
wenn Öffnungen und
hochbelastete Stellen in den Rohren und/oder Streben verstärkt sind
oder durch Gesticke mit zusätzlichen
Verstärkungsfaserlagen
verstärkt
sind.
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Die
Erfindung wird auch durch ein Verfahren realisiert, bei dem das
Oberrohr eine Sattelstrebe umfasst und das Unterrohr eine Kettenstrebe
umfasst, wobei die Rohre und/oder Streben aus einer geflochtenen
Preform gefertigt werden.
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Da
das Oberrohr und das Unterrohr so ausgeformt werden, dass sie jeweils
eine Aussparung aufweisen, in die das Steuerrohr eingesetzt wird,
und dass sie jeweils eine weitere Aussparung aufweisen, in die das
Sattelrohr eingesetzt wird, lassen sich das kombinierte Oberrohr-Sattelstrebenbauteil
besonders schnell und einfach mit dem Unterrohr-Kettenstrebenbauteil
verbinden.
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Da
die Rohre und/oder die Streben geflochten werden, lässt sich
eine gute Vorratshaltung für unterschiedlich
große
Fahrradrahmen bewerkstelligen.
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Besonders
vorteilhafte Ausführungsformen des
Verfahrens werden in den Unteransprüchen beansprucht.
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Besonders
haltbar wird der Fahrradrahmen dann ausgestaltet, wenn das Steuer-Sattelrohr durch das
Ober- und Unterrohr hindurchragend eingesetzt wird.
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Besonders
steif lässt
sich ein Fahrradrahmen eines Fahrrades dann realisieren, wenn die Rohre
und/oder die Streben dadurch entstehen, dass gleichzeitig drei Faserrichtungen
in einer Flechtlage hergestellt werden oder die Rohre und/oder die
Streben aus unterschiedlichen Flechtlagen hergestellt werden.
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Wenn
die Ausfallenden und/oder ein Tretlager schon bei oder nach der
Preform-Herstellung
in die Rohre und/oder Streben eingefügt werden, so lassen sich die
Fertigungszeiten weiter verkürzen.
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Besonders
vorteilhaft ist es auch, wenn die Ausfallenden und/oder das Tretlager
mit in eine Injektionsform oder Infiltrationsform gelegt werden
und durch Aushärtung
einer Matrix mit dem Rahmen verbunden werden.
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Wenn
die Ausfallenden und/oder das Tretlager erst nach der Injektion
oder Infiltration mit den Rohren und/oder Streben verbunden werden,
so lässt
sich die Taktung des Herstellverfahrens besonders gut einteilen.
In einer Variante wird das Sattelrohr auf oder an das Unterrohr
gesetzt und verklebt oder mit Verstärkungsfasern verbunden. Ferner
kann das Steuerrohr so ausgebildet werden, dass das Ober- und/oder
Unterrohr an das Steuerrohr angesetzt werden kann. Dabei gibt es
Rohrstummel, um die Rohre zu verkleben, oder die Rohre werden durch zusätzliche
Verstärkungsfasern
verbunden.
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Die
Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 einen
Fahrradrahmen ohne Anbauteile in perspektivischer Ansicht von oben
und hinten, und
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2 eine
Seitenansicht des Fahrradrahmens aus 1 mit eingesetztem
Hinterrad und zwei eingesetzten Tretkurbeln, sowie einem Kettenblatt mit
Antriebskette.
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1 zeigt
einen Fahrradrahmen 1 mit einem Steuerrohr 2,
einem Oberrohr 3, einem Unterrohr 4, einem Sattelrohr 5,
einer Sattelstrebe 6 und einer Kettenstrebe 7.
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Das
Steuerrohr 2 verbindet das vordere Ende des Oberrohres 3 mit
dem Unterrohr 4. Das Steuerrohr 2 ragt sowohl
durch das Oberrohr 3, als auch durch das Unterrohr 4 hindurch.
Das Sattelrohr 5 ragt am anderen Ende vom Steuerrohr 2 aus
gesehen, ebenfalls sowohl durch das Oberrohr 3, als auch durch
das Unterrohr 4 hindurch. Im unteren Bereich des Sattelrohres 5,
also im Verbindungsbereich mit dem Unterrohr 4 ist ein
Tretlager 8 eingebracht. Das Steuerrohr 2 ragt
durch das Unterrohr 4 nach unten hindurch. Durch das Steuerrohr 2 wird
bei dem weiter aufgebauten Fahrrad ein Gabelschaft einer Gabel eingesetzt.
Am Ende der Gabel wird das Vorderrad befestigt. Das Tretlager 8 nimmt
eine Achse auf, nämlich
eine Tretlagerachse, an der die Tretkurbeln angreifen. Die Tretlagerachse
steht auch in Verbindung mit einem Kettenblatt.
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Das
Oberrohr 3 geht in die Sattelstrebe 6 über. Das
Unterrohr 4 geht in die Kettenstrebe 7 über. Die
Sattelstrebe 6 weist eine Biegung nach links auf, wobei
die Biegung auch als scharfer Knick ausgeformt sein kann. Die Kettenstrebe 7 weist
eine Biegung nach rechts auf, wobei die Biegung ebenfalls als Knick
ausgeformt sein kann.
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An
den Enden der Sattelstrebe 6 und der Kettenstrebe 7 ist
jeweils ein Ausfallende 9 angebracht.
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Während Fahrradrahmen
für Großserien
bisher nur aus Stahl oder Aluminiumrohren hergestellt werden, wird
der Fahrradrahmen 1 durch Faserverbund-Werkstoffe hergestellt.
Das bisher übliche Schweißen erübrigt sich
daher. Beim Schweißen
auftretende Spannungen werden vermieden. Die Haltbarkeit des Rahmens
steigt an. Während
Faserverbund-Fahrradrahmen derzeit jedoch nur in relativ kleinen
Stückzahlen
in aufwendiger Handarbeit hergestellt werden und deshalb nur als
besonders hochwertige Sportgeräte
Anwendung finden, wird hier die Nutzung des Prepreg- oder Handlaminierverfahrens durch
ein automatisiertes Herstellungsverfahren überholt.
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Ein
Faserverbund-Fahrradrahmen 1 konnte mit bisher bekannten
Herstellungsverfahren und Rahmenkonzepten nicht in großer Stückzahl hergestellt
werden, wie dies für
vergleichbare Stahl- oder Aluminiumrahmen erfolgt. Die Erfindung
stellt einen neuen Weg dafür
dar.
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Der
Fahrradrahmen 1 besteht aus nur 4 Einzelteilen,
nämlich
dem Steuerrohr 2, dem gemeinsamen Bauteil aus Oberrohr 3 und
Sattelstrebe 6, dem gemeinsamen Bauteil aus Unterrohr 4 und
Kettenstrebe 7, sowie dem Sattelrohr 5. Eine rechte
Sattelstrebe oder eine linke Kettenstrebe ist hierbei unnötig. Trotzdem
sind herkömmliche
Befestigungsarten für
Sattelstützen
und Sattel möglich.
Dabei wird die Sattelstütze
in das Sattelrohr 5 einschiebbar und über herkömmliche Klemmlösungen befestigbar.
Die vier Hauptbestandteile des Fahrradrahmens 1 werden
mittels Flechttechnik als Preform hergestellt. Zur Injektion bietet
sich das RTM-Verfahren oder ein ähnliches
Verfahren an. Die Rohre werden mit Harz infiltriert und zum kompletten
Rahmen verbunden, z. B. durch Kleben. Sämtliche Rohre können auch
gemeinsam als Preform in eine Injektionsform gelegt und mit Harz
infiltriert werden.
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Durch
die entsprechende Geometrie des Fahrradrahmens wird das Anwenden
der Preform-Technologie, speziell das Flechten, möglich.
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Das
Herstellungsverfahren mittels Preform-Technologie und anschließender Harzinfusion führt zu einem
sehr hohen Automatisierungsgrad und kurzen Taktzeiten. Dies führt zu geringeren
Kosten pro Rahmen und hohen Stückzahlen.
Es ist somit möglich,
Faserverbundfahrräder
oder auch Elektroräder,
im mittleren Preissegment anzubieten. Die Produktion kann sogar
durch Verringerung der Handarbeit in Hochlohnländern erfolgen. Einen positiven Einfluss
auf den Verkauf der Rahmen wird das ansprechende Design haben.
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2 wird
mit einem Hinterrad, einer Tretkurbel und einem Kettenblatt im Bereich
des Tretlagers 8 dargestellt. Die einzelnen Rohre und Sattelstreben,
also das Steuerrohr 2, das Oberrohr 3, das Unterrohr 4,
das Sattelrohr 5, die Sattelstrebe 6 und die Kettenstrebe 7,
sind in verbundenem Zustand dargestellt. Die einzelnen Rohre und
Streben sind entweder miteinander verklebt oder unter Nutzung zusätzlicher
Verstärkungslagen
verbunden.
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Bei
der Herstellung werden als erstes die einzelnen Oberrohr-Sattelstrebenkombinate
und Unterrohr-Kettenstrebenkombinate hergestellt. Dabei wird auf
die Verwendung von Rovings zurückgegriffen.
Sie werden zu den entsprechenden Rohren/Streben ausgeformt. Dabei
hat sich eine Flechttechnik als besonders vorteilhaft herausgestellt.
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Auch
unterschiedlich lange und dicke Steuerrohre 2 und Sattelrohre 5 werden
so hergestellt. Das Steuerrohr 2 und das Sattelrohr 5 wird
in entsprechende Aussparungen im Unterrohr 4 und Oberrohr 3 eingesetzt.
Die Verbindungsstellen werden dann entweder umwickelt, umflochten
oder mit Prepregs verbunden. Ausfallenden und Tretlager werden schon
während
der Preformherstellung in die Rohre integriert, können aber
auch nach der Preformfertigung oder erst nach der Aushärtung der
Rahmenrohre eingesetzt werden. Der gesamte Rahmen wird dann unter
Zuführung
von Wärme
ausgehärtet.
Vorher werden auch noch die Ausfallenden 9 und das Tretlager 8 mit
dem Fahrradrahmen 1 verbunden. Es gibt noch die Variante,
in der die Elemente entweder verklebt oder mit zusätzlichen
Verstärkungsfasern verbunden
werden.