AT514406A1 - Fahrrad - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrrad mit zumindest unterstützendem Elektroantrieb umfassend einen Fahrradrahmen (1) mit einem Steuerrohr (2), einem Sattelrohr (3) sowie zumindest einem Träger (4), der das Steuerrohr (2) mit dem Sattelrohr (3) verbindet. Der Träger (4) und/oder das Sattelrohr (3) weisen zumindest abschnittsweise einen im Wesentlichen I-profilförmigen Querschnitt mit einem oberen (4) und unteren Flansch (8) und einen diese Flansche (4,8) verbindenden Steg (9) auf, wodurch am Träger (4) seitliche Ausnehmungen (7) zur Aufnahme von Funktionselementen, wie beispielsweise Akkumulatoren oder Steuerelektronik, ausgebildet sind. Die Ausnehmungen (7) sind mittels Abdeckungen (5), welche sich von einem Flansch (4) zum anderen (8) erstrecken, abdeckbar, wobei die Abdeckungen (5) im zusammengebauten Zustand des Fahrrads zumindest 10% der im Betrieb auftretenden Biege- und Torsionskräfte aufnehmen.

Description

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Die Erfindung betrifft ein Fahrrad mit zumindest unterstützendem Elektroantrieb umfassend einen Fahrradrahmen mit einem Steuerrohr, einem Sattelrohr sowie zumindest einem Träger, der das Steuerrohr mit dem Sattelrohr verbindet. Üblicherweise werden aus Kostengründen Fahrradrahmen aus miteinander verschweißten Rohrprofilen gefertigt. Funktionelle Teile wie Bremsen, Licht oder diverse Halterungen werden auf diesem sehr einfach aufgebauten Rahmen sichtbar außen montiert. Seit einigen Jahren sind nun Fahrräder mit erweiterter technischer Funktionalität, wie beispielsweise Fahrräder mit elektrischer Trittunterstützung (Pedelec) oder generellem elektrischen Antrieb (E-bike) erhältlich und werden zunehmend beliebter. Die dafür notwendigen Akkumulatoren, die Ladeelektronik und dergleichen werden als „Pakete" am Rahmen befestigt. Dies ist mit mehreren Nachteilen behaftet. Neben optischen Bedenken aufgrund der klobigen Aufbauten, bedeutet das exponierte Anbringen der teuren Elektronik- und Akkumulatorkomponenten ein erhöhtes Risiko für Diebstahl, Vandalismus und für die Verschmutzung und Abnutzung durch Umwelteinflüsse und Witterung.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Fahrrad mit einem entsprechenden Rahmen zu gestalten, an dem die entsprechenden Funktionskomponenten, beispielsweise die Akkumulatoren, die Ladeelektronik, oder auch die Bowdenzüge für Bremsen, Schaltung sowie die Verkabelung für Licht etc., derart angeordnet werden können, dass sie für den Benutzer nicht sichtbar und von der Umwelt geschützt verbaut sind. Gleichzeitig sollen die Kosten für die Fertigung des Fahrradrahmens niedrig gehalten werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Träger und/oder das Sattelrohr zumindest abschnittsweise einen im Wesentlichen I-profilförmigen Querschnitt mit einem oberen und unteren Flansch und einen diese Flansche verbindenden Steg aufweist, wodurch am Träger seitliche Ausnehmungen zur Aufnahme von Funktionselementen, wie beispielsweise Akkumulatoren oder Steuerelektronik, ausgebildet sind, und dass die Ausnehmungen mittels Abdeckungen, welche sich von einem Flansch zum anderen 2/13 2 erstrecken, abdeckbar sind, wobei die Abdeckungen im zusammen-gebauten Zustand des Fahrrads zumindest 10% der im Betrieb auftretenden Biege- und Torsionskräfte aufnehmen. Durch die Verwendung eines Profils mit innen liegenden Querschnittsflächen, wie bei einem I-Profil, werden seitliche Aufnahmen für Funktionskomponenten wie Akkumulatoren und dergleichen geschaffen. Gegenüber einem üblichen Rundrohrquerschnitt weist ein I-Profil hinsichtlich Torsionsbelastungen eine deutlich schlechtere Drehmomentsteifigkeit auf. Dies wird dadurch ausgeglichen, dass Abdeckungen, beispielsweise in Form von Blenden, zur Abdeckung der Ausnehmungen vorgesehen sind, wobei die Abdeckungen derart befestigt sind, dass sie einen Anteil von zumindest 10% der auftretenden Biege- und Torsionskräfte aufnehmen können und somit die Gesamtstabilität des Trägers erhöhen.

Mit dem Ausdruck „im Wesentlichen I-profilförmigen Querschnitt" ist jeder Querschnitt gemeint, mittels welchem durch obere und untere Flansche sowie einen diese verbindenden Steg Ausnehmungen geschaffen werden. Wenn nur auf einer Seite Ausnehmungen gebildet werden, dann umfasst dieser Begriff auch als C-Profil oder U-Profil bezeichnete Querschnitte.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind zwischen Sattelrohr und Steuerrohr zwei Träger vorgesehen, wobei zumindest ein, vorzugsweise beide, Träger Abschnitte mit im Wesentlichen I-profilförmigen Querschnitt aufweisen. Durch die Verbindung von zwei Trägern zwischen Steuerrohr und Sattelrohr kann in üblicher Weise ein sehr stabiler Dreiecksrahmen erzeugt werden. Wenn beide Träger mit entsprechenden Abschnitten mit im Wesentlichen I-profilförmigen Querschnitt gefertigt werden, so wird der verfügbare Platz zum Verbauen von Funktionskomponenten in den Ausnehmungen maxmimiert.

Es ist ein weiteres Merkmal der Erfindung, dass der/die Träger und/oder das Sattelrohr aus einem soliden Aluminiumvollprofil gefertigt sind, wobei die Abschnitte mit im Wesentlichen I-profilförmigen Querschnitt mittels Fräsen der Ausnehmungen in das Aluminiumvollprofil hergestellt sind. Bei dieser Fertigung kann der entsprechende Träger oder das Sattelrohr aus einem 3/13 3 einheitlichen Element gefertigt werden, wodurch Schwachstellen durch Schweißnähte oder dergleichen vermieden werden. Auch können die Endabschnitte des Trägers entsprechend einstückig ausgeformt sein, um einen optimalen Übergang zu den restlichen Rahmenteilen, welche beispielsweise übliche Rundrohrprofile sein können, zu gewährleisten. Das anfallende Material beim Fräsen der Ausnehmungen kann vollständig recycled werden, was die Materialkosten bei der Herstellung niedrig hält.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist es, dass der/die Träger und/oder das Sattelrohr aus einem Rundrohrprofil gefertigt sind, wobei die Abschnitte mit im Wesentlichen I-profilförmigen Querschnitt durch seitliches Einpressen der Ausnehmungen hergestellt sind, wodurch diese Abschnitte doppelwandig ausgeführt sind. Bei dieser Art der Fertigung wird ebenfalls an den Endabschnitten des jeweiligen Trägers oder des Sattelrohrs ein günstiger einstückiger Übergang zu den restlichen Rahmenteilen hergestellt. Durch die doppelwandige Ausgestaltung des im Wesentlichen I-profilförmigen Abschnitts ist dieser besonders stabil.

Ferner ist es ein Merkmal der Erfindung, dass die Abdeckungen aus dem gleichen Material wie der/die Träger und/oder das Sattelrohr, beispielsweise aus Stahl oder Aluminium, gefertigt sind. Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung sind die Abdeckungen aus einem Kunststoff oder Faserverbundwerkstoff gefertigt. Im Falle von der Verwendung des gleichen Materials, kann ein Träger mit im Wesentlichen durchgehend gleichen Eigenschaften und einer sehr gleichmäßigen Oberfläche geschaffen werden. Bei der Verwendung von Kunststoff oder Faserverbundwerkstoffe können diese bei der Fertigung sehr leicht mit verschiedenen Designelementen versehen werden. Gleichzeitig bedeutet die Verwendung dieser Werkstoffe eine Gewichtseinsparung bei nahezu gleicher Stabilität was die Aufnahme von Kräften betrifft.

Es ist ein weiteres Merkmal der Erfindung, dass die Abdeckungen nach dem Abdecken der Ausnehmungen mit dem/den jeweiligen Träger(n) und/oder dem jeweiligen Sattelrohr verschweißt sind. Als alternative Ausführungsform kann es je nach verwendeten 4/13 4

Material für die Abdeckungen vorteilhaft sein, wenn die Abdeckungen nach dem Abdecken der Ausnehmungen mit dem/den jeweiligen Träger(n) und/oder dem jeweiligen Sattelrohr durch Kleben oder Vernieten verbunden sind. Durch diese Befestigungsarten wird eine gute Kraftübertragung zwischen Abdeckungen und Träger sichergestellt.

Die Erfindung wird nun näher anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert, wobei

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Fahrradrahmen schematisch in Seitenansicht zeigt und

Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht durch einen Träger im Bereich eines Abschnitts mit im Wesentlichen I-profilförmigen Querschnitt zeigt.

Der in Fig. 1 gezeigte Fahrradrahmen 1 umfasst ein Steuerrohr 2, ein Sattelrohr 3 sowie zwei Träger 4,4', die anstelle eines üblichen Ober- und Unterrohrs das Steuerrohr 2 und das Sattelrohr 3 zu einem dreieckigen Rahmen verbinden. Im gezeigten Beispiel weist der untere Träger 4 einen Abschnitt mit im Wesentlichen I-profilmäßigen Querschnitt auf, wodurch zu beiden Seiten des Trägers 4 Ausnehmungen 7 geschaffen werden, welche zur Aufnahme von Funktionselementen wie Akkumulatoren, Steuerelektronik etc. dienen. Dieser Abschnitt ist mittels Abdeckungen 5 zu beiden Seiten hin abgedeckt.

Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht durch einen Abschnitt mit im Wesentlichen I-profilmäßigen Querschnitt. Das Profil in diesem Abschnitt weist obere Flansche 4 und untere Flansche 8 auf, welche mittig mit einem Steg 9 miteinander verbunden sind. Dadurch werden in diesem Abschnitt zu beiden Seiten hin Ausnehmungen 7 zur Aufnahme der Funktionselemente geschaffen. Nach dem Einbau aller Funktionselemente werden diese Ausnehmungen 7 durch Abdeckungen 5, welche an den Flanschen 4,8 befestigt werden, abgedeckt. Der obere Träger 4' oder auch das Sattelrohr 3 können ebenfalls mit entsprechenden Abschnitten mit im Wesentlichen I-profilmäßigem Querschnitt versehen sein. 5/13 5

Wird der Träger beispielsweise durch die Fräsbearbeitung hergestellt, so können dabei jegliche Querschnittsformen auch mit veränderlichen Profilverläufen über die Bauteillänge realisiert werden, was den gestalterischen Freiraum für eine Vielfalt an Anwendungen eröffnet.

Ein Fahrradrahmen 1 ist durch die Gewichtskraft, durch die aktive Fahrkraft des Fahrers und durch Kräfte, die aus der Fahrzeugdynamik resultieren, belastet. In den Profilteilen 2,3,4,4' des Rahmens, die im Sinne der gegenständlichen Erfindung zu betrachten sind, treten demgemäß vor allem Biege- und Torsionsbelastungen auf. Für diese Belastungsarten ist gerade das üblicherweise verwendete kreisförmige Rohrprofil mechanisch sehr vorteilhaft.

Beispielsweise sei die Belastung an einem runden Rahmenprofil rechnerisch gezeigt, indem durch eine FEM-(Finite-Elemente-Methode)-Simulation jeweils eine Biegebelastung und Torsionsbelastung berechnet worden sind. Für die Berechnung sind deutlich vereinfachte Annahmen im Sinne einer Modellstudie für ein Unterrohr eines Fahrradrahmens 1 betrachtet worden.

Es wird ein unten als Beispiel angeführter Querschnitt unter den angegebenen Belastungen rechnerisch betrachtet, die Verlagerung ermittelt und daraus die Kennwerte Biegesteifigkeit und Drehmomentsteifigkeit errechnet:

Kreisquerschnitt:

Material: Aluminium

Durchmesser: 45 mm

Wandstärke: 1 mm Länge: 700 mm

Volumen: 9, 67611*10~5 m3

Masse: 0,261255 kg

Belastung: 100 N

Durchbiegung: 4,3587 mm

Biegesteifigkeit: kB = 22,9 N/mm

Drehmoment: 1 Nm 6/13 6

Verlagerung: 0,0042627 mm Drehmomentsteifigkeit: 234,59 Nm/mm

Diese Größenordnungen von Rohrdimensionen orientieren sich an einem durchschnittlichen Rahmenteil. Wird nun ein übliches Rundrohrprofil durch einen Träger mit I-profilmäßigem Querschnitt in ähnlicher mechanischer Dimensionierung berechnet, so fällt auf, dass das I-Profil sehr gute Eigenschaften im Bereich der Aufnahme von Biegebelastungen in der Vorzugsrichtung bietet, jedoch deutlich schlechtere Eigenschaften in der Drehmomentsteifigkeit zeigt. Die Dimensionen sind wiederum so gewählt, dass eine realitätsnahe Gestaltung vorgenommen worden ist um Ausnehmungen 7 für Akkus und Elektronik oder dergleichen zu ermöglichen. In der FEM-Berechnung wurde die Wandstärke so verändert, dass die Biegesteifigkeit in der Größenordnung der Werte für die oben ermittelte Rohrform zu liegen kommt. I-Träger:

Material: Aluminium Höhe: 70 mm

Breite: 41 mm

Wandstärke: 0,4 mm Länge: 700 mm

Volumen: 5,215*10“s m3

Masse: 0,140805 kg

Belastung: 100 N

Durchbiegung: 3,08558 mm

Biegesteifigkeit: kB = 32,4 N/mm

Drehmoment: 1 Nm

Verlagerung: 3,53205 mm

Drehmomentsteifigkeit: 0,28 Nm/mm

Es zeigt sich, dass die Drehmomentsteifigkeit um einen Faktor 1000 geringer ist, als die des Rohrquerschnitts. Die Gewichtseinsparung ist bedeutend, jedoch würde ein Rahmen 1 durch diesen Träger 4 anstelle eines Unterrohrs signifikant an Steifigkeit verlieren. 7/13 7

An dieser Stelle leitet sich der Erfindungsgedanke ab. Im Gegensatz zu den bekannten Bauformen wird daher ein Fahrradrahmen 1 mit einer durch Abdeckungen 5 verstärkten mechanischen Struktur gewählt, die den Rahmen 1 auch in der Torsionsbelastung deutlich ertüchtigt. I-Träger mit Seitenwangen:

Material: Aluminium Höhe: 70 mm Breite: 41 mm

Wandstärke 0,4 mm (Abdeckungen auch in dieser Wandstärke) Länge: 700 mm

Volumen: 7, 6475*10-5 m3

Masse: 0, 206482 kg

Belastung: 100 N

Durchbiegung: 2,22932 mm

Biegesteifigkeit: kB = 44,85 N/mm

Drehmoment: 1 Nm

Verlagerung: 0,038494 mm

Drehmomentsteifigkeit: 25,97 Nm/mm

Die Ergebnisse zeigen, dass noch immer ein Gewichtsvorteil gegeben ist, die Biegestabilität sehr gut gegeben ist und die Torsionssteifigkeit um einen Faktor 100 verbessert werden konnte. Grundsätzlich sind noch weitere Modifikationen möglich, um gegebenenfalls Verbesserungen in der Torsionssteifigkeit zu erreichen. Diese wären jedoch vordergründig für die Funktion des Fahrrades nicht erforderlich.

In dem oben gezeigten Beispiel wurden die Abdeckungen 5 ebenso wie der Träger 4 aus Aluminium gefertigt. Die Verbindung mit dem Träger 4 wurde beispielsweise über eine Laserschweißbearbeitung erreicht. Für die Gestaltung eines Fahrradrahmens 1 ergeben sich damit umfassende Gestaltungsvarianten. Es kann, wie oben dargestellt, eine Abdeckung 5 aus dem gleichen Material des Trägers 4 gewählt werden oder aber auch unterschiedliche Werkstoffe zur Anwendung kommen. Mögliche Varianten umfassen Abdeckungen 5 aus Faserverbundwerkstoffen (CFK) oder Kunststoffwerkstoffen, die 8/13 8 dann durch eine Klebetechnik oder auch mittels Nietverbindung mit einem metallischen Träger 4 zu verbinden wären. Optische Gestaltungsmöglichkeiten der Abdeckungen sind dadurch besonders einfach zu bewerkstelligen. So können metallische Werkstoffe und Kunststoffe auch durch Lackieren und Bekleben gestaltet werden.

Durch das Verwenden von Abdeckungen 5 aus unterschiedlichen Materialien können bei gleich bleibendem Rahmen 1 das Fahrrad hinsichtlich unterschiedlicher Kriterien optimiert werden. So kann allein durch Austausch des Abdeckungsmaterials ein Rahmen 1 beispielsweise entweder auf besondere Belastungsstabilität oder auf geringes Gewicht optimiert werden. Dies ermöglicht es weiters die Produktionskosten auch unterschiedlicher Fahrradtypen wesentlich zu senken, da nur mehr eine Art von Grundrahmen gefertigt werden muss.

Wien, den 11.06.2013 9/13

Claims (8)

1. Dr. Müllner Dipl.-Ing. Katschinka OG, Patentanwaltskanzlei Weihburggasse 9, Postfach 159, A-1014 WIEN, Österreich Telefon: [ +43 (1) 512 24 81 / Fax: a+43 (1 ) 513 76 81 / E-Mail: ® repatent@aon.at Konto (PSK): 1480 708 BLZ 60000 BIC: OPSKATWW IEAN: AT19 6000 0000 0148 07081 480 708 16/45864 GW St. Pölten Integrative Betriebe GmbH 3151 St.Pölten - Hart(AT) researchTUB GmbH 1220 Wien(AT) Patentansprüche : 1. Fahrrad mit zumindest unterstützendem Elektroantrieb umfassend einen Fahrradrahmen (1) mit einem Steuerrohr (2), einem Sattelrohr (3) sowie zumindest einem Träger (4), der das Steuerrohr (2) mit dem Sattelrohr (3) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (4) und/oder das Sattelrohr (3) zumindest abschnittsweise einen im Wesentlichen I-profilförmigen Querschnitt mit einem oberen (4) und unteren Flansch (8) und einen diese Flansche (4,8) verbindenden Steg (9) aufweist, wodurch am Träger (4) seitliche Ausnehmungen (7) zur Aufnahme von Funktionselementen, wie beispielsweise Akkumulatoren oder Steuerelektronik, ausgebildet sind, und dass die Ausnehmungen (7) mittels Abdeckungen (5), welche sich von einem Flansch (4) zum anderen (8) erstrecken, abdeckbar sind, wobei die Abdeckungen (5) im zusammengebauten Zustand des Fahrrads zumindest 10% der im Betrieb auftretenden Biege- und Torsionskräfte aufnehmen.
2. 2. Fahrrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Sattelrohr (3) und Steuerrohr (2) zwei Träger (4,4') vorgesehen sind, wobei zumindest ein, vorzugsweise beide Träger (4,4') Abschnitte mit im Wesentlichen I-profilförmigen Querschnitt aufweisen.
3. 3. Fahrrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Träger (4,4') und/oder das Sattelrohr (3) aus einem soliden Aluminiumvollprofil gefertigt sind, wobei die Abschnitte mit im Wesentlichen I-profilförmigen Querschnitt 10/13 2 mittels Fräsen der Ausnehmungen (7) in das Aluminiumvollprofil hergestellt sind.
4. 4. Fahrrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Träger (4,4') und/oder das Sattelrohr (3) aus einem Rundrohrprofil gefertigt sind, wobei die Abschnitte mit im Wesentlichen I-profilförmigen Querschnitt durch seitliches Einpressen der Ausnehmungen (7) hergestellt sind, wodurch diese Abschnitte doppelwandig ausgeführt sind.
5. 5. Fahrrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckungen (5) aus dem gleichen Material wie der/die Träger (4,4') und/oder das Sattelrohr (3), beispielsweise aus Stahl oder Aluminium, gefertigt sind.
6. 6. Fahrrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckungen (5) aus einem Kunststoff oder Faserverbundwerkstoff gefertigt sind.
7. 7. Fahrrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, dass die Abdeckungen (5) nach dem Abdecken der Ausnehmungen (7) mit dem/den jeweiligen Träger(n) (4,4') und/oder dem jeweiligen Sattelrohr (3) verschweißt sind.
8. 8. Fahrrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, dass die Abdeckungen (5) nach dem Abdecken der Ausnehmungen (7) mit dem/den jeweiligen Träger(n) (4,4') und/oder dem jeweiligen Sattelrohr (3) durch Kleben oder Vernieten verbunden sind. Wien, den 11.06.2013 11/13