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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Fahrradlaufrad gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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STAND DER TECHNIK
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In den letzten Jahren wurden zahlreiche Entwicklungen im Bereich Fahrradlaufräder, insbesondere für den Radrennsport hervorgebracht. In diesem Sportbereich spielen Gewicht, Steifigkeit des Materials und die Aerodynamik, welche insbesondere auf die Felgengeometrie zurückzuführen ist, eine wesentliche Rolle. In seinen Grundelementen besteht ein Laufrad aus Nabe, den Speichen und der Felge. Dies gilt ebenfalls für Laufräder aus Faserverbundwerkstoff, insbesondere aus Carbon. Grundsätzlich wird im Bereich der Fahrradlaufräder welche aus Faserverbundwerkstoff hergestellt sind zwischen Scheibenrädern, Rädern mit massiven Speichen und Rädern mit vorgespannten Speichen unterschieden. Gemäss der vorliegenden Erfindung, werden Laufräder mit vorgespannten Speichen betrachtet, wobei sowohl die Speichen als auch die Felge aus einem Faserverbundwerkstoff, vorzugsweise Carbon gefertigt sind.
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Die
EP 2030765 A2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Laufrades für Fahrräder, wobei Felge und Speiche aus einem ausgehärteten Faserverbundstoff, beispielsweise Carbon bestehen und es sich um ein Laufrad mit vorgespannten Speichen handelt. Wie der
EP 2030765 A2 zu entnehmen ist, erfolgt die Herstellung der Felge und die anschliessende Befestigung der Speichen in zwei separaten Verfahren. Bereits für die Produktion der Felge sind eine Mehrzahl von Arbeitsschritten erforderlich. Beginnend mit der Herstellung des Felgenaussenprofils, gefolgt vom Bereitstellen eines Kunststoffformelements, welches mit dem Felgenaussenprofil verbunden und mit einer Decklage überzogen wird. Erst in einem zweiten, vom ersten Verfahren unabhängigen Prozess werden die einzelnen Speichen, welche gleich wie Felge aus einem Faserverbundstoff bestehen, an der bereits vorgefertigten Felge befestigt. Das gesamte Laufrad wird zum Abschluss erneut gehärtet um einen festen Verbund zwischen Felge und den Speichen zu gewährleisten.
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Der vorgängig aus dem Stand der Technik beschriebene Prozess hat den Nachteil, dass im wesentlichen zwei separate Verfahren erforderlich sind, zum Einen die Herstellung der Felge, Speichen und Nabe und zum Anderen die Fixierung der einzelnen Speichen an der Felge und am Zentrumshalter bzw. an der Nabe.
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Wie bereits erwähnt, spielt die Aerodynamik im Radsport eine zunehmende Rolle. Im allgemeinen gilt es den aerodynamischen Widerstand des Laufrads, sowie die Robustheit bei Seitenwind zu optimieren. Viele Firmen versuchen daher in diesem Zusammenhang besondere Felgengeometrien zu entwickeln. Die in den letzten Jahren entwickelten Felgenquerschnitte weisen zum Einen V-Formen auf, aber auch ”bauchigere” Querschnitten gewinnen zunehmend an Bedeutung, um das Ablöseverhalten bei Seitenwind besser kontrollieren zu können. Das Ablöseverhalten der Strömung am Felgenprofil hat grossen Einfluss auf den Fahrkomfort und Linienführung bei Seitenwind.
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Die Firma Zipp vermarktet seit Jahren sogenannte Aeroräder, bei welchen die Felge eine Art Golfballoberfläche aufweist.
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Als Beispiel, für eine aktuelle Entwicklung im Bereich Felgengeometrien für Carbonlaufräder sei an dieser Stelle die
US 2014/0292061 A1 der Firma Reynolds Cycling LLC erwähnt. Dieses Dokument offenbart eine asymmetrische Geometrie einer Felge aus Carbonfaser mit vorgespannten Speichen aus Stahl. Ebenfalls beschrieben wird die Herstellung der asymmetrischen Felgengeometrie, insbesondere die Anordnung der Carbonfaserlagen in einer Negativform. Erwähnt wird die Fixierung und das Vorspannen der Speichen. Dieses Dokument zeigt jedoch nicht, wie die einzelnen Speichen an der asymmetrischen Felge zuverlässig fixiert werden und wie der Vorspannprozess der einzelnen Speichen durchgeführt wird.
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In der
EP 1985465 A1 wird eine Speiche, ein Rad und ein Verfahren zur Herstellung einer Speicher aus einem Faserverbundwerkstoff beschrieben. Bei der Fertigung des Rades erfolgt zuerst die Herstellung der Speichen in einem separaten Prozessschritt im Sinne einer Vorfertigung. Diese Speichen werden dann in einem weiteren Verfahrensschritt mit der ebenfalls vorgefertigten Felge verbunden. Nachteilig an diesem Verfahren ist die Verbindung der Felge und der Speichen in zwei Schritten. Um einen möglichst grossen Halt der Speichen in der Felge zu gewährleisten ist es erforderlich, die Speichen an ihren Enden speziell aufzufächern, sodass eine zuverlässige Verbindung der Speiche mit der Feige überhaupt möglich gemacht werden kann.
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Weitere Beispiele für Fahrradlaufräder aus Verbundmaterial, bei welchen vorgespannte Speichen zum Einsatz kommen, finden sich in
EP 1795370 A1 und
DE 9201179 . In beiden Dokumenten, werden die Speichen in einem separaten Prozessschritt in eine Ausnehmung welche an der Felge sitzt eingesetzt und beispielsweise durch eine Schraubenverbindung befestigt und gespannt.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein Fahrradlaufrad aus einem Faserverbundwerkstoff, zu schaffen, welches die Nachteile bekannter Lösungen vermeidet. Das Fahrradlaufrad zeichnet sich insbesondere durch seine einfache, leichte und gleichzeitig robuste Bauweise aus, ohne das dabei auf die hervorragenden Eigenschaften vorgespannter Speichen verzichtet werden muss.
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Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche gelöst.
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Im Folgenden ist von einem Fahrradlaufrad die Rede, deckt dieser Begriff sowohl das Hinterrad als auch das Vorderrad ab.
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Ist im Folgenden vom laminierten Zustand des ersten und zweiten Speichenabschnitts die Rede, definiert dies einen initialen Zustand der Speichen. In diesem initialen Zustand ist der erste und zweite Speichenabschnitt ungespannt und noch nicht mit einer Speichenvorspannkraft beaufschlagt.
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Ist im Folgenden von einem vorgespannten Zustand des ersten und zweiten Speichenabschnitts die Rede, definiert dies einen finalen Zustand der Speichen, bei welchem die Speichen mit einer Speichenvorspannkraft beaufschlagt, d. h. vorgespannt sind. Die im Anschluss eingesetzte Nabe hält die Speichen im vorgespannten Zustand und daher im finalen Zustand.
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Das erfindungsgemässe Fahrradlaufrad, welches vorzugsweise Scheibenbremsen aufweist, ist aus einem Faserverbundwerkstoff gefertigt. Diese Art von Fahrradlaufrädern kommt bevorzugt im Rennsport zum Einsatz. Es umfasst eine Felge und eine Mehrzahl von Speichen, wobei die Speichen je einen ersten sowie einen zweiten Speichenabschnitt aufweisen, welcher je zwischen der Felge und dem Zentrum des Fahrradlaufrades verläuft. Das Zentrum umfasst zwei Zentrumsscheiben.
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Bei den Speichen handelt es sich um sogenannte vorgespannte Speichen. Erfindungsgemäss weist der erste und zweite Speichenabschnitt der Speichen, in einem laminierten Zustand, eine geschwungene Form auf. In einem vorgespannten Zustand, verlaufen die Speichenabschnitte im wesentlichen gerade.
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Durch die Ausführung in einer geschwungenen Form im laminierten Zustand werden in vorteilhafter Weise Spannungsspitzen, welche beim Vorspannprozess in den Speichen bzw. den Speichenabschnitten entstehen reduziert, was bei Speichen die gerade laminiert und anschliessend vorgespannt werden nicht der Fall ist. Bei solchen Speichen entstehen, insbesondere in den Bereichen in denen die Speichenabschnitte in Verbindung mit der Felge und dem Zentrum bzw. den Zentrumsscheiben, stehen hohe Spannungen aufgrund von Biegemomenten, die unerwünscht sind und die maximal mögliche Belastung der Speiche reduzieren. Durch das erfindungsgemässe Fahrradlaufrad wird eine möglichst homogene Spannungsverteilung in den Speichen bzw. den einzelnen Speichenabschnitten erzielt. Des Weiteren wird durch eine homogene Spannungsverteilung in den Speichen, die Bremskrafteinleitung verbessert. Durch die Reduktion der Spannungsspitzen, können Bremskräfte welche durch eine Scheibenbremse eingeleitet werden, verbessert in die Felge eingeleitet werden. Bedingt durch die Laminierung in einer geschwungenen Form ist der Bereich in dem der erste und zweite Speichenabschnitt aus der Felge austritt und jener Bereich, in dem der erste und zweite Speichenabschnitt mit dem Zentrum, vorzugsweise einer ersten und zweiten Zentrumsscheibe verbunden ist, bereits tangential zu jener Position vorgeformt, die die Speichenabschnitte im vorgespannten Zustand einnehmen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die geschwungene Form die Form einer S-Kurve auf. Diese Kurve verläuft bis zu ihrem ersten Nulldurchgang, d. h eine Hälfte der S-Kurve, nach der Biegelinie w(x)Skurve = 1 / 2·[3( x / L)2 – ( x / L)3] eines Biegebalkens aus der einfachen Balkentheorie. In dieser Ausführungsform nimmt die S-Kurve einen symmetrischen Verlauf an.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die S-Kurve eine asymmetrische Form auf. Eine asymmetrische S-Kurve ist dadurch gekennzeichnet, dass die halbe S-Kurve, von der Biegelinie abweicht.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die asymmetrische S-Kurve dadurch gekennzeichnet, dass jener Punkt welcher die asymmetrische S-Kurve in eine erste und eine zweite Hälfte teilt, näher der Felge als dem Zentrum des Fahrradlaufrades zugeordnet ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Fahrradlaufrads bilden die Speichen eine erste und eine zweite Speichengruppe. Die Speichen der ersten Speichengruppe verlaufen zwischen ersten Fusspunkten angeordnet an der Felge, einer Bremsscheibenseite des Zentrums, wobei das Zentrum vorzugsweise als Zentrumsscheibe ausgebildet ist und zweiten Fusspunkten, welche im wesentlichen gegenüber den ersten Fusspunkten, ebenfalls an der Felge angeordnet sind. Die Speichen der zweiten Speichengruppe verlaufen zwischen weiteren ersten Fusspunkten angeordnet an der Felge, einer Nicht-Bremsscheibenseite des Zentrums, wobei das Zentrum vorzugesweise als weitere Zentrumsscheibe ausgebildet ist und weiteren zweiten Fusspunkten, welche im wesentlichen den weiteren ersten Fusspunkten gegenüberliegen und ebenfalls an der Felge angeordnet sind. Die Speichen umfassend den ersten und zweiten Speichenabschnitt verlaufen in ihrem Faserverlauf durchgängig zwischen den beiden Fusspunkten.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die ersten und zweiten Fusspunkte der ersten Speichengruppe und/oder die ersten und zweiten Fusspunkte der zweiten Speichengruppe beabstandet zu einem Scheitel S der Felge angeordnet. Der Abstand der ersten und zweiten Fusspunkte der ersten Speichengruppe zum Scheitel S der Felge ist grösser als der Abstand der ersten und zweiten Fusspunkte der zweiten Speichengruppe. Beim Scheitel S der Felge handelt es sich um jenen Bereich des Felgenkörpers, welcher dem Felgenbett gegenüberliegt. Beim Vorspannen der Speichen wird die Felge zentral positioniert. Erfindungsgemäss ist die Felge vorzugsweise als symmetrischer Körper ausgebildet, besonders bevorzugt als symmetrischer Hohlkörper. Der Scheitel S, verläuft im Schnittpunkt der Symmetrieachse mit dem Felgenkörper und ist dem Zentrum des Fahrradlaufrades zugewandt. Um das Fahrgefühl des Fahrradlaufrades zu verbessern, ist es vorteilhaft wenn die Speichenspannung im vorgespannten Zustand, sowohl in den Speichen der ersten Speichengruppe, auf der Bremsscheibenseite als auch in den Speichen der zweiten Speichengruppe, auf der Nicht-Bremsscheibenseite annähernd gleich gross ist. Dies wird unter anderem durch die erfindungsgemässe Anordnung der Fusspunkte erzielt. Eine symmetrische Form der Felge verbessert darüber hinaus die Aerodynamik des Fahrradlaufrades per se.
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Das erfindungsgemässe Fahrradlaufrad weist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform auf der Bremsscheibenseite des Zentrums, ausgebildet als Zentrumsscheibe eine Aufnahme für eine Bremsscheibe auf, wobei diese Aufnahme mit der Bremsschreibenseite des Zentrums einstückig ausgebildet ist, d. h. in einem Schritt laminiert wurden.
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In einem Schritt laminieren heisst, dass die Formteile aufweisend die Form für Felge, Speiche und Zentrum in einem Schritt mit Fasern ausgelegt werden. Die Fasern für die Speichen, vorzugsweise unidirektionale Fasern werden dabei durchgängig von einem ersten Fusspunkt zu einem gegenüberliegenden Fusspunkt verlegt.
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Durch die Fertigung in einem Stück werden zusätzliche Klebestellen vermieden, welche insbesondere in jenen Bereichen des Fahrradlaufrades, wo Bremskräfte wirken, nachteilig sind. Des weiteren wird durch die Vermeidung zusätzlicher Klebestellen Gewicht gespart.
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Um das Gewicht des Fahrradlaufrads weiter zu reduzieren, ist die Bremsscheibenaufnahme in einer Ausführungsform als Hohlkörper ausgebildet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bilden die ersten und die zweiten Speichenabschnitte der Speichen einzelne Kreuzungspunkte, wobei die Kreuzungspunkte durch einzelne unidirektionale Faserlagen der Speichenabschnitte gebildet werden. Durch die Anordnung in mehreren Lagen verdickt sich der Querschnitt im Kreuzungspunkt. Der Kreuzungspunkt der Speichenabschnitte wird erfindungsgemäss dadurch ausgebildet, dass die Lagen des ersten Speichenabschnitts abwechselnd mit den Lagen des weiteren ersten Speichenabschnitts laminiert sind, sodass am Kreuzungspunkt eine Verwebung entsteht. Durch diese Verwebung resultiert eine solides Speichenkreuz, wobei dieses Speichenkreuz die Systemsteifigkeit erhöht. Beispielsweise wird eine erste Lage des ersten Speichenabschnitts überlagert von einer erste Lage eines weiteren ersten Speichenabschnitts, wobei diese erste Lage dann von einer zweiten Lage des ersten Speichenabschnitts überlagert wird gefolgt von einer zweiten Lage des zweiten Speichenabschnitts. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kreuzungspunkt durch mindestens vier Lagen gebildet. Durch den erfindungsgemässen Aufbau des Kreuzungspunktes erfolgt ein Verweben, sodass zusätzliche stoffschlüssige Verbindungen der einzelnen Speichenabschnitte vermieden werden können.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante, nehmen die ersten und zweiten Speichenabschnitte der ersten Speichengruppe, im vorgespannten Zustand zur Aussengeometrie der Felge, insbesondere des Felgenkörpers einen Einführungswinkel β (beta) ein, welcher vorzugsweise zwischen 120° und 180° liegt und die ersten und zweiten Speichenabschnitte der zweiten Speichengruppe nehmen einen Einführungswinkel α (alpha) ein, welcher grösser 90° aufweist.
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Erfindungsgemäss werden die Felge, die Speichen und das Zentrum, aufweisend eine erste und zweite Zentrumsscheibe, in einem Schritt laminiert. Lediglich die Nabe wird separat eingesetzt und mit dem Zentrum bzw. den Zentrumsscheiben verklebt. Die Stabilität des Fahrradlaufrads wird dadurch erhöht und die Anzahl an Klebestellen, welche zusätzliche Prozessschritte erfordern, verhindert. Vorzugsweise werden die Speichen durchgängig laminiert, d. h. der Faserverlauf des ersten und zweiten Speichenabschnitts verläuft durchgängig zwischen den Fusspunkten.
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Unter Laminieren in einem Schritt ist zu verstehen, dass alle Fasern, beispielsweise Fasern aus sogenanntem Prepreg Material (vorimprägnierte Fasern) für Felge, die Speichen und das Zentrum, aufweisend zwei Zentrumsscheiben, in einem Prozessschritt in den dafür vorgesehenen Formteilen ausgelegt werden, bevor das Aushärten erfolgt. Nach dem Aushärten wird ein einstückiges Produkt, ein Fahrradlaufrad umfassend Felge, Speichen und das Zentrum erhalten. In einem zweiten Grundschritt erfolgt dann das Vorspannen der Speichen, in dem das Zentrum bzw. die beiden Zentrumsscheiben in horizontaler Richtung annähernd auf die Grösse der nachfolgend eingesetzten Nabe auseinander gezogen werden, bevor diese eingesetzt wird. Durch die Fertigung in einem Stück werden zeitraubende Nachbearbeitungsschritte vermieden.
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Vorteile welche, insbesondere aus der erfindungsgemässen Herstellung resultieren, sind ein hochpräziser Rundlauf, Laufruhe auch bei hohen Geschwindigkeiten, sowie ein stark verbessertes Rotationsträgheitsmoment.
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Das erfindungsgemässe Fahrradlaufrad ist aus einem Faserverbundwerkstoff gefertigt. Bevorzugt werden die Felge, die Speichen, das Zentrum und die Nabe aus Carbonfasern gefertigt. Als Ausgangsmaterial dienen bevorzugt sogenannte Pre-preg Fasern, Halbzeuge welche bereits mit den entsprechenden Reaktionsharzen vorimprägniert sind.
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Weitere Beispiele für Fasern sind Aramid, Glasfaser und Boron Fasern oder eine Kombination aus den genannten Fasern.
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KURZE ERLÄUTERUNG ZU DEN FIGUREN
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Die Erfindung soll nachfolgend im Zusammenhang mit der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Hälfte des Felgenquerschnitts, ein erster Speichenabschnitt in einem laminierten Zustand und in einem vorgespannten Zustand, in einer ersten Ausführungsform,
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2 eine schematische Darstellung einer Hälfte des Felgenquerschnitts, ein erster Speichenabschnitt in einem laminierten Zustand und in einem vorgespannten Zustand, in einer zweiten Ausführungsform,
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3 eine schematische Darstellung des Querschnitts durch das Fahrradlaufrad in einem laminierten Zustand (a), einem Zustand beim Vorspannen (b) und einem vorgespannten Zustand (c),
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4 eine teilweise schematische Schnittdarstellung einer Hälfte des Felgenquerschnitts, ein erster und zweiter Speichenabschnitt, der ersten und zweiten Speichengruppe in einem vorgespannten Zustand,
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5 zeigt die Ansicht aus 4 mit den Einführungswinkeln α (alpha) und β (beta) der ersten Speichenabschnitte der ersten und zweiten Speichengruppe, im vorgespannten Zustand, in einer teilweisen schematische Schnittdarstellung,
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6 zeigt die Resultate einer FEM-Simulation eines Speichenabschnitts, ein Vergleich zwischen einer gerade laminierten und eines geschwungen laminierten Speichenabschnitts,
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7 zeigt schematisch eine teilweise Schnittdarstellung durch die Felge, wobei die Integration der Speiche in der Felge gezeigt wird,
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8 zeigt eine Schnittdarstellung durch einen Kreuzungspunkt von Speichenabschnitten,
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9 zeigt eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemässen Fahrradlaufrads,
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10 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Werkzeugs zur Herstellung des erfindungsgemässen Laufrads.
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WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
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Ist im Folgenden vom laminierten Zustand des ersten und zweiten Speichenabschnitts die Rede, definiert dies einen initialen Zustand der Speichen. In diesem initialen Zustand ist der erste und zweite Speichenabschnitt ungespannt und noch nicht mit einer Speichenvorspannkraft beaufschlagt.
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Ist im Folgenden von einem vorgespannten Zustand des ersten und zweiten Speichenabschnitts die Rede, definiert dies einen finalen Zustand der Speichen, bei welchem die Speichen mit einer Speichenvorspannkraft beaufschlagt, d. h. vorgespannt sind. Die im Anschluss eingesetzte Nabe hält die Speichen im vorgespannten Zustand und daher im finalen Zustand.
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In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Speichenvorspannkraft, welche beim Vorspannen auf die ersten und zweiten Speichenabschnitte aufgebracht wird, auf der Nicht-Bremsscheibenseite annähernd gleich gross wie auf der Bremsscheibenseite des Fahrradlaufrads, vorzugsweise ist die Differenz zwischen den beiden Vorspannkräften weniger als 200 N.
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In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Geometrie der Speiche 2, insbesondere des ersten Speichenabschnitts 2.1 im laminierten Zustand dargestellt. Die Felge 1 umfasst einen symmetrischen Felgenkörper 1' und ein Felgenbett 1''. 1 zeigt dabei eine Hälfte, umfassend den ersten Speichenabschnitt 2.1 einer ersten Speichengruppe 20. Der erste Speichenabschnitt 2.1 verläuft zwischen einem Fusspunkt 4.1 und einem Zentrum 3 des Fahrradlaufrads und ist im laminierten Zustand, bevor die Speichen vorgespannt werden geschwungen ausgebildet. In der gezeigten Ausführungsform ist die geschwungene Form als symmetrische S-Form ausgebildet, wobei diese Kurvenform, die Biegelinie eines Biegebalkens aus der einfachen Balkentheorie annimmt. Die Linie 2' stellt den schematischen Verlauf einer aus dem Stand der Technik bekannten Speiche dar, die im Unterschied zu den erfindungsgemässen ersten und zweiten Speichenabschnitten 2.1, 2.2 in einer gerade verlaufenden Form laminiert wurden. Wie in 1 gezeigt nähert sich, im Bereich des Fusspunktes 4.1, durch die geschwungene S-Form die Speiche 2, bereits im laminierten Zustand an den Verlauf im vorgespannten Zustand 2'' an, was zu einer Glättung von Spannungsspitzen im Bereich des Fusspunktes 4.1 und an einem Eintrittspunkt am Zentrum 3 führt. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Speichen 2 aus einem UD (unidirektional) Gelege aus Carbon Faser mit einem Zug E-Modul von 130 GPa bis 215 GPa.
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2 zeigt die Darstellung aus 1 mit dem Unterschied, dass in dieser Ausführungsform die geschwungene Form des gezeigten ersten Speichenabschnitts 2.1' eine asymmetrische Form annimmt, wobei die asymmetrische Form dadurch gekennzeichnet ist, dass die halbe S-Kurve, von der Biegelinie abweicht.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform (in 2 nicht dargestellt) ist die asymmetrische S-Kurve dadurch gekennzeichnet, dass jener Punkt welcher die asymmetrische S-Kurve in eine erste und eine zweite Hälfte teilt, näher bei der Felge als dem Zentrum des Fahrradlaufrades angeordnet ist. Die beiden Hälften der S-Kurve sind nicht gleich gross und daher asymmetrisch.
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3 zeigt exemplarisch eine Querschnitt durch die Felge und die Speichen des erfindungsgemässen Fahrradlaufrads. Die zeigt einen Querschnitt durch das Fahrradlaufrad im laminierten Zustand. Die Felge 1, die Speichen 2 der ersten und zweiten Speichengruppe 20, 200 umfassend den ersten und zweiten Speichenabschnitt 2.1, 2.2; 2.1' und 2.2' und das Zentrum 3, aufweisend eine erste und zweite Zentrumsscheibe werden dabei in einem Schritt laminiert. Die Speichenabschnitte sind dabei im laminierten Zustand in einer geschwungenen Form ausgebildet. 3(b) zeigt den Vorgang des Vorspannens, das Zentrum 3, vorzugsweise bestehend aus zwei Zentrumsschreiben, wird dabei in horizontaler Richtung, auf in etwa der Grösse der Nabe auseinander gezogen, wobei die Speichenabschnitte 2.1, 2.2, 2.1' und 2.2' von ihrer geschwungenen Form im laminierten Zustand in einen im wesentlich geraden Verlauf im vorgespannten Zustand überführt werden. Im letzten Schritt, wie in 3(c) dargestellt, wird die Nabe 10 eingesetzt, welche die Speichen im vorgespannten Zustand hält.
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4 zeigt einen Querschnitt durch die Felge 1, und eine teilweise Darstellung eines ersten Speichenabschnitts 2.1 der ersten Speichengruppe 20 und des ersten Speichenabschnitts 2.1' des zweiten Speichengruppe 200. Die Speichen 2 der ersten Speichengruppe 20, verlaufen zwischen den ersten Fusspunkten 4.1, einer Bremsscheibenseite des Zentrums 3 und einem zweiten Fusspunkt 4.2 (in 4 nicht dargestellt). Die Speichen der zweiten Speichengruppe 200 verlaufen zwischen einem ersten Fusspunkt 4.1', einer Nicht-Bremsscheibenseite des Zentrums 3 und einem zweiten Fusspunkt 4.2' (in 4 nicht dargestellt). Die Fusspunkte sind am Felgenkörper 1' der Felge 1 angeordnet. In dieser Ausführungsform ist die Felge 1, insbesondere der Felgenkörper 1' als symmetrischer Körper ausgeführt. In der Ausführungsform gemäss 4 ist der Abstand X1 den der Fusspunkt 4.1 von der Symmetrieachse der Felge 1 einnimmt, grösser als der Abstand X2 den der Fusspunkt 4.1' ebenfalls zur Symmetrieachse einnimmt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Abstand X2, in etwa die Hälfte vom Abstand X1, bezogen auf die gezeigte Felgengeometrie.
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5 zeigt die Anordnung aus 4 ergänzt um den Einführungswinkel β (beta) den der erste und zweite Speichenabschnitt 2.1, 2.2 der ersten Speichengruppe 20, im vorgespannten Zustand zur Aussengeometrie der Felge 1, gemessen im Fusspunkt 4.1 und 4.2 (nicht dargestellt) einnimmt. Des Weiteren ist der Einführungswinkel α (alpha) gezeigt, welchen der erste und zweite Speichenabschnitt 2.1', 2.2' der zweiten Speichengruppe 200, im vorgespannten Zustand, zur Aussengeometrie der Felge 1, gemessen im ersten und zweiten Fusspunkt 4.1', 4.2' einnimmt. In der in 5 dargestellten, bevorzugten Ausführungsform ist der Einführungswinkel β (beta), bezogen auf die gezeigten Felgengeometrie zwischen 120° und 180°. Der Einführungswinkel α (alpha) weist einen Wert von grösser 90° auf.
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In der 5 des weiteren dargestellt ist ein Winkel β' (beta-strich) und ein Winkel α' (alpha-strich). Der Winkel α' (alpha-strich) wird gemessen zwischen einer parallelen Linie zur Symmetrieachse der Felge 1, welche durch den Fusspunkt 4.1' verläuft und dem ersten Speichenabschnitt 2.1', im vorgespannten Zustand auf der Nicht-Bremsscheibenseite 200. Der Winkel β' (beta-strich) wird gemessen zwischen einer parallelen Linie zur Symmetrieachse der Felge 1, welche durch den Fusspunkt 4.1 verläuft und dem ersten Speichenabschnitt 2.1, im vorgespannten Zustand auf der Bremsscheibenseite 20. Der Winkel α' (alpha-strich) und β' (beta-strich) unterscheiden sich um einem Wert kleiner oder gleich 2°, wobei α' (alpha-strich) vorzugsweise grösser β' (beta-strich) ist. Diese Beziehung zwischen α' (alpha-strich) und β' (beta-strich) ist unabhängig von der gewählten Geometrie der Felge 1.
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6 zeigt das Resultat einer FEM-Simulation des Vorspannprozesses, wobei ein Speichenabschnitt, einer Speiche 2 welcher im wesentlichen gerade laminiert und ein Speichenabschnitt 2.1 einer Speiche 2, welcher geschwungen laminiert wurde, gegenübergestellt sind. Betrachtet wurden die Spannungen in Richtung der Speichen. Beide Speichenabschnitte, jener der gerade und jener der geschwungen laminiert wurde, wurden in der FEM-Simulation den identischen Belastungskräften ausgesetzt. Aus den Resultaten des gerade laminierten Speichenabschnitts der Speiche 2' gehen deutliche Spannungsspitzen am Anfang und an Ende des Speichenabschnitts hervor (vgl. schwarz-grau verlaufender Bereiche). Der ursprünglich geschwungen laminierte Speichenabschnitt 2.1 der Speiche 2, zeigt im Vergleich dazu nach dem Vorspannen keine Spannungsspitzen und einen homogenen Spannungsverlauf.
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7 zeigt eine teilweise Darstellung eines Querschnitts durch die Felge 1, in jenem Bereich in dem die Speiche 2, bzw. der Speichenabschnitt 2.1 integriert ist. Die Felge 1, die Speichen 2 und das Zentrum 3 werden bei der Herstellung des Fahrradlaufrads in einem Schritt in einer Aluminiumform verlegt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Speiche 2 aus einem unidirektionalen Gelege aus Carbon Faser und die Felge 1 aus einem Gewebe, vorzugsweise ebenfalls aus Carbon Fasern gefertigt. Die Speiche 2 ist in mehreren Schichten aus dem unidirektionalen Gelege aufbaut. Ihre Fasern verlaufen dabei durchgängig von einem ersten Fusspunkt, über das Zentrum 3 des Fahrradlaufrads, zu einem zweiten Fusspunkt angeordnet am Felgenkörper (in 7 nicht dargestellt). Bei der Integration der Speiche 2 im Felgenkörper 1' wird das unidirektionale Gelege der Speiche 2 durch mindestens eine, vorzugsweise mehrere Lagen des Gewebes 11, aus welchem die Felge 1 gefertigt ist, auf einer Innenseite des Felgenkörpers 1' befestigt. Die Anzahl der Lagen 11 sowie deren Orientierung können dabei variieren. Ein zusätzliches Verkleben der Speiche 2, beispielsweise am Fusspunkt 4.1 ist nicht erforderlich.
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8 zeigt einen Schnitt durch den Kreuzungspunkt 8, welcher beispielsweise durch zwei erste Speichenabschnitte 2.1, 2.3 verläuft. Da die ersten Speichenabschnitte zu den zweiten Speichenabschnitten symmetrisch sind und eine Speiche 2 bilden, weisen auch die zweiten Speichenabschnitte Kreuzungspunkte 8 auf (in 8 nicht dargestellt). Wie in 8 exemplarisch dargestellt, ist der erste Speichenabschnitt 2.1 und der weitere erste Speichenabschnitt 2.3 aus mehreren Lagen eines unidirektionalen Geleges aufgebaut. Vorzugsweise umfasst der Kreuzungspunkt vier Lagen 2.3.1, 2.3.2, 2.1.1, 2.1.2. In der bevorzugten Ausführungsform gemäss der 8 werden die Lagen 2.1.1 und 2.1.2 der ersten Speichenabschnitte 2.1 abwechselnd mit den Lagen 2.3.1 und 2.3.2 des weiteren ersten Speichenabschnitts 2.3 laminiert, sodass am Kreuzungspunkt 8 eine Verwebung entsteht. In 8 nicht direkt erkennbar ist, dass es am Kreuzungspunkt 8, bedingt durch die mindestens vier Lagen zu einer Verdickung des Speichenquerschnitts kommt.
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9 zeigt eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemässen Fahrradlaufrads. Gezeigt werden die Speichen der ersten 20, der zweiten Speichengruppe 200 sowie die Nicht-Bremsscheibenseite 31 und die Bremsscheibenseite 30 des erfindungsgemässen Fahrradlaufrads und die Felge 1. Exemplarisch mit Bezugzeichen versehen ist eine Speiche umfassend einen ersten und einen zweiten Speichenabschnitt 2.1, 2.2, wobei diese Speiche durchgängig zwischen den Fusspunkten 4.1 und 4.2, welche an der Felge 1 angeordnet sind verläuft und eine Speiche der ersten Speichengruppe 20 bildet.
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10 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemässen Negativform 9. Die Negativform 9 umfasst einen ersten Teil 9.1 und einen zweiten Teil 9.2. In diese beiden Teile werden, in den dazugehörigen Ausnehmungen, die Faser für den Felgenkörper, die Speichen , das Zentrum aufweisend ein erstes und zweites Zentrumsrad in einem Schritt verlegt. Eine weitere Form 15 bildet die Geometrie des Felgenbetts. Des Weiteren gezeigt werden zwei Stempelformen 14 und 13. Im Zusammengesetzten Zustand der Negativform 9, wirken die Stempelformen 13 und 14 formschlüssig mit Ausnehmungen für die Speichen zusammen. Auf diese Weise wird ein gewünschter Speichenquerschnitt ausgebildet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2030765 A2 [0003, 0003]
- US 2014/0292061 A1 [0007]
- EP 1985465 A1 [0008]
- EP 1795370 A1 [0009]
- DE 9201179 [0009]
