-
Die Erfindung betrifft ein Fahrradlaufrad mit einer Felge, die über zumindest eine Speiche mit einem zur Felge zentralen Nabenaufnahmeelement verbunden ist, wobei die Felge, die Speiche und das Nabenaufnahmeelement in einer Polymermatrix eingebettete Verstärkungsfasern aufweisen.
-
Solche Fahrradlaufräder sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden beispielsweise von dem Unternehmen CarbonSports GmbH unter der Bezeichnung ”Lightweight” vertrieben. Diese weithin für ihre Steifigkeit und Leichtigkeit bekannten Fahrradlaufräder, sind jedoch bisher lediglich auf Basis eines Duroplastharzes aufgebaut.
-
Fahrradlaufräder sollen einerseits besonders steif und andererseits besonders leicht sein. Dies kommt insbesondere, aber nicht immer, einem Benutzen in welligem oder gar bergigem Terrain zugute. So muss ein Fahrradlaufrad aus Faserverbundwerkstoffen nicht mit einem solch hohen Kraftaufwand beschleunigt werden, wie etwa schwerere, herkömmliche Fahrradlaufräder.
-
Bei gattungsgemäßen Fahrradlaufrädern ist die Masse geringer als bei herkömmlichen Fahrradlaufrädern, was weniger Energie zum Antrieb eines Fahrradlaufrades erfordert. Durch gattungsgemäße Fahrradlaufräder lassen sich auch besonders steife Fahrradlaufräder herstellen, die vermeiden, dass ein großer Energiebetrag, durch die Verwindung des Fahrradlaufrades, für den Vortrieb, eines die Fahrradlaufräder beherbergenden Fahrrades, wirkungslos verpufft.
-
Das Anfertigen von gattungsgemäßen Fahrradlaufrädern hat sich in der Praxis jedoch als schwierig herausgestellt, da kleine Ungenauigkeiten nach dem Zusammenbau der Felge mit zumindest einer Speiche an dem Nabenaufnahmeelement nur schwer oder gar nicht mehr korrigierbar sind. Die Folge ist dann, dass das gesamte Fahrradlaufrad als Ausschuss entsorgt werden muss.
-
Da das in dem Polymerharz eingebettete Verstärkungsorgan, nämlich die Verstärkungsfasern, wie Kohlefasern, Aramidfasern oder Glasfasern, relativ teuer in der Anschaffung sind, hat eine solche kleine Ungenauigkeit somit bisher eine hohe Kostenfolge nach sich gezogen.
-
Auch ist es bisher nicht einfach möglich, reparierend auf das Fahrradlaufrad einzuwirken, sobald die Speiche mit der Felge und dem Nabenaufnahmeelement verbunden ist.
-
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Fahrradlaufrad zur Verfügung zu stellen, das leichter und steifer als herkömmliche Laufräder aus metallischem Werkstoff ist, einfacher herzustellen ist als herkömmliche Kohlefaserfahrradlaufräder und auch kostengünstiger in der Herstellung ist.
-
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Polymermatrix der Felge einen Duroplast-Werkstoff aufweist und die Polymermatrix der Speiche einen Thermoplast-Werkstoff aufweist.
-
Bei einer solch erfinderischen Kombination werden die jeweiligen Materialeigenschaften des Thermoplastharzes und des Duroplastharzes optimal ausgenutzt.
-
Da das Thermoplastharz, in dem die Verstärkungsfasern eingebettet sind, weicher als ein vergleichbareres Duroplastharz ist, verträgt die Speiche eher die Beaufschlagung durch Steinschlag oder einen Crash. Ein Splittern der Speiche, selbst bei einem starken Aufprall, wird verhindert.
-
Durch die Verwendung eines Duroplastharzes im Bereich der Felge ist diese bei gleichzeitiger kostengünstiger Herstellung besonders temperaturstabil. Aufgrund einer sehr harten, wenn auch spröden Oberfläche, lässt sich im Duroplastbereich auch besonders effizient ein Bremsflankenbereich vorhalten. In diesem Bremsflankenbereich können dann die Bremsschuhe während eines Bremsvorganges angreifen und einen, verglichen mit bisherigen Bremsleistungen bei Faserverbundlaufrädern, besseren Verzögerungswert erreichen. Es ist selbstverständlich möglich, die Oberfläche der Bremsflanken spanend zu bearbeiten, wie es seit Jahren bereits üblich ist.
-
Die Erfindung betrifft auch ein Fahrrad, wie etwa ein Rennrad oder ein Triathlonrad mit einem oder zwei erfindungsgemäßen Fahrradlaufrädern.
-
Vorteilhafte Ausführungsformen werden in den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
-
So ist es von Vorteil, wenn die Felge duroplastische Kohlefasern, Aramidfasern und/oder Glasfasern aufweist. Kohlefasern, Aramidfasern und auch Glasfasern haben eine hohe Zugfestigkeit, die bei HT-Kohlenstofffasern bei ca. 3500 MPa liegt und dabei ein Zug-E-Modul von 230 Gpa aufweist. Bei sogenannten UMS-Kohlenstofffasern erhöht sich die Zugfestigkeit sogar auf über 4500 MPa und das Zug-E-Modul auf ca. 395 GPa im Schnitt. In beiden Fällen ist die Dichte jedoch nur 1,8 g pro cm3. Ähnlich belastungsfähig sind auch Aramidfasern, die z. B. unter dem Markennamen Kevlar oder Nomex vertrieben werden sowie Glasfasern. Glasfasern bieten den zusätzlichen Vorteil, dass sie besonders kostengünstig beziehbar sind. Diese entsprechenden Ausführungsformen sind somit hochbelastbar und relativ kostengünstig herstellbar.
-
Wird eine Wärmequelle genutzt, um das thermoplastische Material wieder aufzuweichen, so lassen sich einfache Reparaturmaßnahmen bewirken, wenn die Speiche in thermoplastisches Harz eingebettete Kohlefasern, Aramidfasern und/oder Glasfasern aufweist.
-
Wenn sich die Speiche von einer ersten Verbindungsstelle mit der Felge mit einem Verbindungsbereich mit dem Nabenaufnahmeelement zu einer zweiten Verbindungsstelle mit der Felge erstreckt, so lassen sich Zug- und Druckkräfte einfach von der Felge auf das Nabenaufnahmeelement übertragen. Gleichzeitig wird die grundsätzlich runde Form der Felge beibehalten und eine diesbezügliche Verformung verhindert. Selbstverständlich ist es möglich, in einer Felge mehr als nur eine Speiche zu nutzen. Auch ist es selbstverständlich möglich, eine Nabe von zwei Nabenaufnahmeelementen stützen zu lassen, wobei beiderseits der Nabe mehrere Speichen an je einem der beiden Nabenaufnahmeelemente angebracht ist.
-
So ist es möglich, dass zwei Nabenaufnahmeelemente mit je 4, 6, 8 oder 12 Speichen Verwendung finden, wobei sich zwei Speichen in einem von dem Nabenaufnahmeelement beabstandeten Bereich kreuzen. Auf diese Weise lassen sich besonders steife und belastbare Fahrradlaufräder herstellen.
-
Wenn sich die Speichen beiderseits des Nabenaufnahmeelementes zumindest je einmal kreuzen, so lässt sich die Steifigkeit weiter erhöhen.
-
Es ist von Vorteil, wenn die zweite Verbindungsstelle zu der ersten Verbindungsstelle zwischen 90° und 270°, vorzugsweise zwischen 120° und 240°, weiter bevorzugt 180°, um das Nabenaufnahmeelement herum versetzt ist. Auf diese Weise lässt sich der Zug- und Druckverlauf optimieren.
-
Wenn die Speiche an der ersten und der zweiten Verbindungsstelle über eine Klebe- oder Laminierverbindung mit der Felge dauerhaft verbunden ist und/oder die Speiche an dem Verbindungsbereich mit dem Nabenaufnahmeelement dauerhaft verbunden ist, so lassen sich die drei Einzelelemente mit einfachen Mitteln kostengünstig und dauerhaft verbinden.
-
Da bei aus Faserverbundmaterial gefertigten Fahrradlaufrädern der Einsatz im Wettkampfbereich im Vordergrund steht, ist es von Vorteil, wenn die Aerodynamik eines entsprechenden Fahrradlaufrades weiter verbessert wird, beispielsweise dadurch, dass die Speiche einen elliptischen oder tropfenförmigen Querschnitt zumindest in einem von den Enden der Speichen beabstandeten, vorzugsweise mittleren Bereich aufweist. Dabei ist die spitze Seite der Speiche rückseitig der Speiche, in Rotationsrichtung der Speiche um den Mittelpunkt des Nabenaufnahmeelementes gesehen, angeordnet. Bei einer elliptischen Ausgestaltung ist die Hauptachse in Rotationsrichtung ausgerichtet.
-
Wenn die Speiche flach ausgestaltete Enden aufweist, wobei die quer zur Längsachse der Speiche gemessenen Breite der Speiche an deren Enden vorzugsweise größer ist, als in einem von den Enden beabstandeten Bereich, so steht für die Verbindung der Speiche mit der Felge ein so großer Befestigungsbereich zur Verfügung, dass die Belastbarkeit des Fahrradlaufrades sich weiter verbessert. Durch die flache Ausgestaltung der Enden wird einerseits die Aerodynamik verbessert, da auf der Oberfläche der Felge keine durch die Speichen hervorgerufenen Erhebungen auftreten und andererseits wird das ästhetische Erscheinungsbild der Oberfläche der Felge verbessert. Wenn sich die einzelnen Fasern am Ende der Speiche, in einem Berührungsbereich mit der Felge dreiecksförmig verbreitern bzw. aufspreizen, so wird beim Ausbilden einer Klebeverbindung zwischen der Speiche und der Felge eine besonders haltbare Verbindung erreicht.
-
Dieser Vorteil stellt sich besonders dann ein, wenn sich die an einem Ende der Speiche angeordneten Verstärkungsfasern, zum Ende hin kontinuierlich, einen sich verbreiternden Bereich bedeckend, angeordnet sind.
-
Der Fertigungsprozess lässt sich auch deutlich vereinfachen, wenn die aus einem vorausgehärteten Stab in einen nachbearbeiteten Zustand gebrachte Speiche, in dem die Enden flachgepresst sind und ein zwischen den Enden elliptisch gepresster Querschnitt vorhanden ist, an dem Nabenaufnahmeelement befestigt ist. Auf diese Weise lässt sich ein beliebig langer vorausgehärteter Stab vorfertigen oder beziehen, in die entsprechenden Längen, wie sie für die Speichen benötigt werden, kürzen, danach flach bearbeiten und in das Fahrradlaufrad verbauen. Insbesondere verbessert sich dadurch die Lagerhaltung, was wiederum zu einer Kostenreduktion führt.
-
Es ist natürlich auch möglich anstelle eines vorausgehärteten Stabes eine Pressform zu nutzen, in der die Verstärkungsfasern eingelegt werden und unter Druck mit Harz durchtränkt werden. Dabei lässt sich auf das bekannte Wissen im Rahmen des Resin Transfer Molding (RTM) zurückgreifen. Dabei wird im Regelfall ein Vakuum angelegt.
-
Die Erfindung wird auch nachfolgend mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert.
-
Es zeigen:
-
1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Fahrradlaufrades,
-
2 eine Seitenansicht eines Fahrradlaufrades mit einer Felge, die über zumindest eine Speiche mit einem zur Felge zentralen Nabenaufnahmeelement verbunden ist und
-
3 eine detaillierte Ansicht einer isoliert dargestellten Speiche eines erfindungsgemäßen Fahrradlaufrades.
-
Die Figuren sind lediglich schematischer Darstellungsart und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Für die gleichen Elemente werden dieselben Bezugszeichen verwendet.
-
In 1 ist ein erfindungsgemäßes Fahrradlaufrad in einer Darstellung bei Ansicht von der Seite dargestellt. Das Fahrradlaufrad ist mit dem Bezugszeichen 1 referenziert.
-
Das Fahrradlaufrad 1 weist eine Felge 2 auf. Die Felge 2 hat einen Hauptkörper 3, der einen umlaufenden Bremsbereich 4 aufweist. Der Bremsbereich 4 ist beiderseits der Felge 2 vorhanden und bildet die Bremsflanken. Im Bereich des Bremsbereiches 4 oder der Bremsflanken greifen die Bremsbeläge einer Felgenbremse an.
-
Es ist auch möglich, dass statt dem Vorsehen eines Bremsbereiches 4 auf der Felge, eine separate Scheibe an dem Fahrradlaufrad 1 angebracht ist, um das Angreifen einer Scheibenbremse zu ermöglichen.
-
Zwischen den Bremsflanken, auf der Außenseite der Felge 2, ist ein Schlauchreifen oder eine Kombination aus einem Schlauch und einem Mantel befestigt. In der 1 ist ein Schlauchreifen dargestellt, der mit dem Bezugszeichen 5 referenziet ist. Die Felge 2 ist über beidseitig der Bremsflanken angeordnete Speichen 6, jedoch radial beabstandet zu den Bremsflanken, mit einem Nabenaufnahmeelement 7 verbunden. Ein erstes Nabenaufnahmeelement 7 ist auf der einen Seite einer Bremsflanke angeordnet und ein zweites Aufnahmeelement 7 ist auf der anderen Seite der ersten Bremsflanke, nämlich auf der Seite der zweiten Bremsflanke angeordnet. In 1 ist aufgrund der Darstellung von der Seite, nur das erste Nabenaufnahmeelement 7 zu erkennen.
-
Eine Speiche 6 weist einen mittleren Bereich 8 auf, der zwischen zwei Enden 9 der Speiche 6 angeordnet ist. Die Enden 9 greifen am Hauptkörper 3 an. Die Enden 9 sind am Hauptkörper 3 entweder angeklebt oder anlaminiert. In der in 1 dargestellten Ausführungsform, stoßen die Enden 9 radial an den innenliegenden Bereich des Hauptkörpers 3 an.
-
Es ist jedoch auch möglich, dass die Enden 9 an den Seitbereichen des Hauptkörpers 3, wie in 2 dargestellt, anliegen. Es sind mehrere Speichen 6 jeweils auf der einen Seite eines nicht dargestellten Nabenkörpers und auf der anderen Seite des nicht dargestellten Nabenkörpers vorhanden. Der Nabenkörper ist dabei zwischen den beiden Nabenaufnahmeelementen 7 positioniert.
-
Das Nabenaufnahmeelement ist auf der Innenseite, also zwischen den beiden Lagen der Speichen 6, hohlzylinderförmig ausgebildet und weist einen außenliegenden, sich radial erweiternden Flanschbereich 10 auf.
-
Die Außenseite des Nabenaufnahmeelementes 7, wie es in 1 zu erkennen ist, geht nach innen in einen konisch sich erhebenden Versteifungsbereich 11 über.
-
Es ist gut zu erkennen, dass eine Speiche, etwa die mit dem Bezugszeichen 6a versehene Speiche, die mit dem Bezugszeichen 6b versehene Speiche an den Kreuzungspunkten 12 überdeckt.
-
Die Speichen 6a und 6b bilden somit ein Speichenpaar. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Speichenpaare an einem ersten Nabenaufnahmeelement 7 befestigt. An dem anderen, nicht sichtbaren zweiten Nabenaufnahmeelement 7, sind wiederum zwei Speichenpaare befestigt.
-
Es ist zu erkennen, dass sich jede einzelne Speiche 6 von einer ersten Verbindungsstelle 12, zu einer zweiten Verbindungsstelle 13 erstreckt. Die zweite Verbindungsstelle 13 ist auf der Felge 2 um das Nabenaufnahmeelement 7 herum um 135° versetzt.
-
Jede Speiche 6 ist an ihrer ersten Verbindungsstelle 12 und ihrer zweiten Verbindungsstelle 13 am Hauptkörper 3 angeklebt oder anlaminiert.
-
In 2 ist die Ansicht vom Nabenkörper 7, also von dem Inneren des Fahrradlaufrades 1, nach außen, bei nur einer angebrachten Speiche 6 dargestellt. Dabei erstreckt sich die Speiche 6 von der ersten Verbindungsstelle 12 zur zweiten Verbindungsstelle 13, liegt dabei auf der Innenseite des Flanschbereiches 10 des Nabenaufnahmeelementes 7 an und ist dort in einem Verbindungsbereich 14 angeklebt oder anlaminiert. Eine dabei eingesetzte Laminatmasse oder Klebmasse ist mit dem Bezugszeichen 15 versehen. Es ist möglich, dass die Laminat- oder Klebmasse 15 die Speiche 6 im Verbindungsbereich 14 komplett umgibt und am Flanschbereich 10 anhaftet. Auch ist es möglich, dass die Oberfläche auf der Innenseite des Nabenaufnahmeelementes der Laminat- oder Klebemasse 15 spanend, insbesondere schmiergelnd bearbeitet ist.
-
Die Speiche 6 weist nicht dargestellte Verstärkungsfasern auf, die in einer Polymermatrix, nämlich einer Thermoplastharzmatrix eingebettet sind. Als Verstärkungsfasern werden Kohlenstofffasern, Aramidfasern und/oder Glasfasern verwendet. Im vorliegenden Fall wird ein Carbonbauteil geschaffen, weshalb Kohlefasern verwendet sind.
-
Die Felge 2 ist ebenfalls aus in einer Polymermatrix eingebetteten Verstärkungsfasern aufgebaut. Dabei ist die Polymermatrix der Felge 2 aus einem Duroplastharz aufgebaut.
-
Auch das Nabenaufnahmeelement 7 ist ein Faserverbundbauteil, also weist es Verstärkungsfasern in einer Harzmatrix, vorzugsweise einer Thermoplastharzmatrix auf.
-
In 3 ist eine einzelne Speiche 6 dargestellt. Dabei ist zu erkennen, dass angrenzend an einen mittleren Bereich 8 im Bereich der Enden 9 die schematisch dargestellten Verstärkungsfasern 16 sich nach außen auffächernd angeordnet sind. Die Breite B an den Enden 9 der Speiche 6, orthogonal zu einer Längsachse 17 definiert, ist ungefähr doppelt so groß wie eine Breite b in dem mittleren Bereich 8, kann aber auch bis zu vier mal so groß sein. Die Längsachse 17 ist gebogen ausgeführt und weist einen Winkel α von ca. 125° bis 135° auf.
-
Die Speiche ist mit einem Querschnitt versehen, der ellipsenförmig ist oder einer Tropfenform gleicht. Die Speiche 6 ist unter Verwendung eines RTM-Verfahrens hergestellt oder verwendet vorgefertigte Stäbe, die lediglich nachbearbeitet werden, etwa mittels eines Pressverfahrens und mit einem Nabenaufnahmeelement 7, um an der Felge 2, nämlich an der ersten Verbindungsstelle 12 und der zweiten Verbindungsstelle 13, befestigt zu werden.
-
Während die Enden 9 flachgepresst sind und eine gleichmäßige Dicke aufweisen, ist im mittleren Bereich 8 ein aerodynamisches Profil vorgehalten.