CH710731B1 - Fahrradlaufrad. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrradlaufrad aus einem Faserverbundwerkstoff, umfassend eine Felge (1), eine Mehrzahl von Speichen und ein Zentrum (3) mit einer Bremsscheibenseite und einer Nicht-Bremsscheibenseite, wobei die Speichen je einen ersten und zweiten Speichenabschnitt (2.1; 2.2) aufweisen, welcher je zwischen der Felge (1) und dem Zentrum (3) verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Speichenabschnitt (2.1; 2.2), in einem laminierten, ungespannten Zustand eine geschwungene Form aufweist und in einen vorgespannten Zustand bringbar sind, wenn diese beiden Seiten in horizontaler Richtung auseinander gezogen werden, wobei die beiden Speichenabschnitte (2.1; 2.2) im vorgespannten Zustand im Wesentlichen gerade verlaufen.

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Fahrradlaufrad gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Fahrradlaufrads.

Stand der Technik

[0002] 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.

[0003] Die EP 2 030 765 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 2 030 765 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 die Felge aus einem Faserverbundstoff bestehen, an der bereits vorgefertigten Felge befestigt. Das gesamte Laufrad wird zum Abschluss erneut gehärtet, um einen festen Verbund zwischen der Felge und den Speichen zu gewährleisten.

[0004] 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.

[0005] 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 Felgen-Geometrien zu entwickeln. Die in den letzten Jahren entwickelten Felgenquerschnitte weisen zum Einen V-Formen auf, aber auch «bauchigere» Querschnitte 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 die Linienführung bei Seitenwind.

[0006] Die Firma Zipp vermarktet seit Jahren sogenannte Aeroräder, bei welchen die Felge eine Art Golfballoberfläche aufweist.

[0007] Als Beispiel für eine aktuelle Entwicklung im Bereich Felgen-Geometrien für Carbonlaufräder sei an dieser Stelle die US 2014/0 292 061 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.

[0008] In der EP 1 985 465 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 Felge überhaupt möglich gemacht werden kann.

[0009] Weitere Beispiele für Fahrradlaufräder aus Verbundmaterial, bei welchen vorgespannte Speichen zum Einsatz kommen, finden sich in EP 1 795 370 A1 und DE 9 201 179. 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.

Darstellung der Erfindung

[0010] Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Fahrradlaufrad aus einem Faserverbundwerkstoff, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Fahrradlaufrads zu schaffen, welches die Nachteile bekannter Lösungen vermeidet. Das Fahrradlaufrad zeichnet sich insbesondere durch seine einfache, leichte und gleichzeitig robuste Bauweise aus, ohne dass dabei auf die hervorragenden Eigenschaften vorgespannter Speichen verzichtet werden muss. Das Herstellungsverfahren zeichnet sich insbesondere durch die geringe Anzahl an Prozessschritten aus, wodurch das Risiko möglicher Fehlproduktionen minimiert und Produktionszeiten entsprechend verringert werden können.

[0011] Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

[0012] Ist im Folgenden ist von einem Fahrradlaufrad die Rede, deckt dieser Begriff sowohl das Hinterrad als auch das Vorderrad ab.

[0013] 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.

[0014] 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.

[0015] 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 vorzugsweise zwei Zentrumsscheiben.

[0016] 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.

[0017] 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 aufweisend eine Bremsscheibenseite und eine Nicht-Bremsscheibenseite, vorzugsweise ausgebildet als eine erste und eine zweite Zentrumsscheibe, verbunden ist, bereits tangential zu jener Position vorgeformt, die die Speichenabschnitte im vorgespannten Zustand einnehmen.

[0018] 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 eines Biegebalkens aus der einfachen Balkentheorie. In dieser Ausführungsform nimmt die S-Kurve einen symmetrischen Verlauf an.

[0019] In der obigen Biegebalkenformel handelt es sich bei Ybglum die Verschiebung zwischen dem laminierten Speichenabschnitt und dem vorgespannten Speichenabschnitt an einer Stelle L, wobei L die Hälfte des Speichenabschnitts darstellt.

[0020] 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.

[0021] 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.

[0022] 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 die Bremsscheibenseite des Zentrums 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 die Nicht-Bremsscheibenseite des Zentrums vorzugsweise 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.

[0023] 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 Symmetrieebene 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.

[0024] 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 Bremsscheibenseite des Zentrums einstückig ausgebildet ist, d.h. in einem Schritt laminiert wurde.

[0025] 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.

[0026] 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.

[0027] Um das Gewicht des Fahrradlaufrads weiter zu reduzieren, ist die Bremsscheibenaufnahme in einer Ausführungsform als Hohlkörper ausgebildet.

[0028] 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.

[0029] 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.

[0030] Erfindungsgemäss werden die Felge, die Speichen und das Zentrum, vorzugsweise aufweisend eine erste und zweite Zentrumsscheibe, in einem Schritt laminiert. Lediglich die Nabe wird in einem separaten Verfahrensschritt 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.

[0031] 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, vorzugsweise 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, indem 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.

[0032] Vorteile, welche insbesondere aus der erfindungsgemässen Herstellung resultieren, sind ein hochpräziser Rundlauf, Laufruhe auch bei hohen Geschwindigkeiten, sowie ein stark verbessertes Rotationsträgheitsmoment.

[0033] In einer bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemässen Verfahrens werden im ersten Grundschritt die ersten und zweiten Speichenabschnitte, welche zwischen der Felge und dem Zentrum verlaufen, je in einer geschwungenen Form laminiert, vorzugsweise in einer S-Form, sodass im zweiten Grundschritt beim Vorspannen der Speichen, der erste und der zweite Speichenabschnitt einen im Wesentlichen geraden Verlauf annimmt.

[0034] Das Aushärten kann im erfindungsgemässen Verfahren, vorzugsweise in einem Autoklaven erfolgen. Nachdem die Felge, die Speichen und das Zentrum in den beiden Formteilen laminiert wurden, wird ein formungebundenes Füllmittel, beispielsweise ein Vakuumschlauch oder ein Schaummaterial zwischen die Formteile eingebracht. Beim Anlegen eines Unterdrucks, in dem Luft aus der Form gesaugt wird, vergrössert sich das Volumen des formungebundenen Füllmittels entsprechend und drückt die laminierte Felge in eine gewünschte Position.

[0035] Als alternatives Aushärtungsverfahren steht das Spritzpressverfahren zur Verfügung. Bei der Anwendung des Spritzpressverfahren kommen trockene Fasern zum Einsatz, d.h. Fasern, welche beim Laminieren, im Vergleich zu den Prepreg-Fasern noch nicht mit Harz getränkt sind. Beim Spritzpressverfahren werden die Formteile aneinander gepresst und durch Einbringen von Druckluft in ein formungebundenes Füllmittel die Felge in ihre gewünschte Form gebracht. Beim Spritzpressen erfolgt das Einbringen von Harz und der Prozess des Aushärtens in einem Schritt.

[0036] Die Ausbildung der Speichen erfolgt, in einer bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemässen Verfahrens dadurch, dass auf die laminierten Speichen in den Formteilen eine Stempelform aufgebracht wird. Diese Stempelform weist Vorsprünge auf, die im Wesentlichen formschlüssig mit den Formteilen zusammenwirken und dazu dienen, die Speichen in eine gewünschte Form zu bringen, beispielsweise einen elliptischen Querschnitt auszuformen. Durch diese weitere Form ist es möglich, Speichen von hoher Qualität herzustellen. Des Weiteren können die Speichen aus einem unidirektionalen Gelege ohne eine zusätzliche Deckschicht laminiert werden.

[0037] 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 Prepreg-Fasern, Halbzeuge, welche bereits mit den entsprechenden Reaktionsharzen vorimprägniert sind.

[0038] Weitere Beispiele für Fasern sind Aramid-, Glasfaser- und Boron-Fasern oder eine Kombination aus den genannten Fasern.

Kurze Erläuterung zu den Figuren

[0039] Die Erfindung soll nachfolgend im Zusammenhang mit der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Hälfte des Felgenquerschnitts, einen ersten Speichenabschnitt in einem laminierten Zustand und in einem vorgespannten Zustand, in einer ersten Ausführungsform, Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Hälfte des Felgenquerschnitts, einen ersten Speichenabschnitt in einem laminierten Zustand und in einem vorgespannten Zustand, in einer zweiten Ausführungsform, Fig. 3 eine schematische Darstellung des Querschnitts durch das Fahrradlaufrad in einem laminierten Zustand (a), einem Zustand beim Vorspannen (b) und einem vorgespannten Zustand (c), Fig. 4 eine teilweise schematische Schnittdarstellung einer Hälfte des Felgenquerschnitts, einen ersten und zweiten Speichenabschnitt der ersten und zweiten Speichengruppe in einem vorgespannten Zustand, Fig. 5 zeigt die Ansicht aus Fig. 4 mit den Einführungswinkeln α (alpha) und β (beta) der ersten Speichenabschnitte der ersten und zweiten Speichengruppe, im vorgespannten Zustand, in einer teilweise schematischen Schnittdarstellung, Fig. 6 zeigt die Resultate einer FEM-Simulation des Vorspannungsprozesses eines Speichenabschnitts, einen Vergleich zwischen eines gerade laminierten und eines geschwungen laminierten Speichenabschnitts, Fig. 7 zeigt schematisch eine teilweise Schnittdarstellung durch die Felge, wobei die Integration der Speiche in der Felge gezeigt wird. Fig. 8 zeigt eine Schnittdarstellung durch einen Kreuzungspunkt von Speichenabschnitten, Fig. 9 zeigt eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemässen Fahrradlaufrads, Fig. 10 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Werkzeugs zur Herstellung des erfindungsgemässen Laufrads.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0040] 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.

[0041] 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.

[0042] 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.

[0043] In Fig. 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 ́ ́. Fig. 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 Fig. 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 bis215 GPa.

[0044] Fig. 2 zeigt die Darstellung aus Fig. 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.

[0045] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform (in Fig. 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.

[0046] Fig. 3 zeigt exemplarisch die drei Schritte (a) bis (c) beim Vorgang des Vorspannens. Die Abbildung 3 (a) 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. Fig. 3 (b) zeigt den Vorgang des Vorspannens, das Zentrum 3 mit einer Bremsscheibenseite und einer Nicht-Bremsscheibenseite, vorzugsweise bestehend aus zwei Zentrumsscheiben, wird dabei in horizontaler Richtung (F), auf in etwa die 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 Fig. 3 (c) dargestellt, wird die Nabe 10 eingesetzt, welche die Speichen im vorgespannten Zustand hält.

[0047] Fig. 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 ́ der 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 4 ist der Abstand X1, den der Fusspunkt 4.1 von der Symmetrieebene der Felge 1 einnimmt, grösser als der Abstand X2, den der Fusspunkt 4.1 ́ ebenfalls zur Symmetrieebene einnimmt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Abstand X2 in etwa die Hälfte vom Abstand X1, bezogen auf die gezeigte Felgengeometrie.

[0048] Fig. 5 zeigt die Anordnung aus Fig. 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 Fig. 5 dargestellten, bevorzugten Ausführungsform ist der Einführungswinkel β (beta), bezogen auf die gezeigte Felgengeometrie zwischen 120° und 180°. Der Einführungswinkel α (alpha) weist einen Wert von grösser 90° auf.

[0049] In der Fig. 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 Ebene zur Symmetrieebene der Felge 1, welche durch den Fusspunkt 4.1 ́ verläuft und dem ersten Speichenabschnitt 2.1 ́, im vorgespannten Zustand auf der Nicht-Bremsscheibenseite 31. Der Winkel β ́ (beta-strich) wird gemessen zwischen einer parallelen Ebene zur Symmetrieebene der Felge 1, welche durch den Fusspunkt 4.1 verläuft, und dem ersten Speichenabschnitt 2.1, im vorgespannten Zustand auf der Bremsscheibenseite 30. Die 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.

[0050] Fig. 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 am Ende des Speichenabschnitts hervor (vgl. schwarz-grau verlaufende Bereiche). Der ursprünglich geschwungen laminierte Speichenabschnitt 2.1 der Speiche 2 zeigt im Vergleich dazu nach dem Vorspannen keine Spannungsspitzen und einen homogenen Spannungsverlauf.

[0051] Fig. 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 Fig. 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.

[0052] Fig. 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 Fig. 8 nicht dargestellt). Wie in Fig. 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 Fig. 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 Fig. 8 nicht direkt erkennbar ist, dass es am Kreuzungspunkt 8, bedingt durch die mindestens vier Lagen zu einer Verdickung des Speichenquerschnitts kommt.

[0053] Fig. 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.

[0054] Fig. 10 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer 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 eine erste und zweite Zentrumsscheibe, 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.

Claims (18)

1. Fahrradlaufrad aus einem Faserverbundwerkstoff, umfassend eine Felge (1), eine Mehrzahl von Speichen (2) und ein Zentrum (3) mit einer Bremsscheibenseite und einer Nicht-Bremsscheibenseite, wobei die Speichen (2) je einen ersten und zweiten Speichenabschnitt (2.1; 2.2) aufweisen, der je zwischen der Felge (1) und dem Zentrum (3) verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Speichenabschnitt (2.1, 2.2) in einem laminierten, ungespannten Zustand eine geschwungene Form aufweisen und in einen vorgespannten Zustand bringbar sind, wenn diese beiden Seiten in horizontaler Richtung (F) auseinander gezogen werden, wobei im vorgespannten Zustand die beiden Speichenabschnitte (2.1, 2.2) im Wesentlichen gerade verlaufen.

2. Fahrradlaufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Speichenabschnitt (2.1; 2.2) im laminierten Zustand je eine S-Form aufweisen.

3. Fahrradlaufrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die S-Form eine symmetrische oder eine asymmetrische Form aufweist.

4. Fahrradlaufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichen (2) eine erste und eine zweite Speichengruppe (20, 200) bilden, wobei die Speichen (2) der ersten Speichengruppe (20) zwischen ersten Fusspunkten (4.1) angeordnet an der Felge (1), der Bremsscheibenseite (30) des Zentrums (3) und zweiten Fusspunkten (4.2) angeordnet an der Felge (1) verlaufen und die Speichen (2) der zweiten Speichengruppe (200) zwischen weiteren ersten Fusspunkten (4.1 ́) angeordnet an der Felge (1), der Nicht-Bremsscheibenseite (31) des Zentrums (3) und weiteren zweiten Fusspunkten (4.2 ́) angeordnet an der Felge (1) verlaufen.

5. Fahrradlaufrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Fusspunkte (4.1, 4.2) der ersten Speichengruppe (20) und/oder die ersten und zweiten Fusspunkte (4.1 ́, 4.2 ́) der zweiten Speichengruppe (200) beabstandet zu einem Scheitel (S) der Felge (1) angeordnet sind.

6. Fahrradlaufrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (X1) der ersten und zweiten Fusspunkte (4.1, 4.2) der ersten Speichengruppe (20) zum Scheitel (S) der Felge (1) grösser ist als ein Abstand (X2) der ersten und zweiten Fusspunkte (4.1 ́, 4.2 ́) der zweiten Speichengruppe (200).

7. Fahrradlaufrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (X1) der ersten und zweiten Fusspunkte (2.1, 2.2) der ersten Speichengruppe (20) zum Scheitel (S) der Felge (1) kleiner ist als der Abstand (X2) der ersten und zweiten Fusspunkte (4.1 ́, 4.2 ́) der zweiten Speichengruppe (200).

8. Fahrradlaufrad nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsscheibenseite (30) des Zentrums (3) als eine Zentrumsscheibe ausgebildet ist und eine Bremsscheibenaufnahme aufweist, wobei die Zentrumsscheibe und die Bremsscheibenaufnahme einstückig, in einem Schritt laminiert ausgebildet sind.

9. Fahrradlaufrad nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsscheibenaufnahme als Hohlkörper ausgebildet ist.

10. Fahrradlaufrad nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Speichenabschnitt (2.1, 2.2), je einen Kreuzungspunkt (8) mit einem weiteren ersten und zweiten Speichenabschnitt (2.3, 2.4) bildet, wobei die Kreuzungspunkte (8) durch einzelne Lagen (2.3.1, 2.3.2, 2.1.1.; 2.1.2) der Speichenabschnitte (2.1, 2.3) gebildet werden, vorzugsweise aus mindestens vier Lagen.

11. Fahrradlaufrad nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Kreuzungspunkt (8) die Lagen (2.1.1, 2.1.2) des ersten Speichenabschnitts bzw. zweiten Speichenabschnitts (2.1, 2.2) abwechselnd mit den Lagen (2.3.1, 2.3.2) des weiteren ersten Speichenabschnitts (2.3) bzw. weiteren zweiten Speichenabschnitts (2.4) laminiert sind, sodass am Kreuzungspunkt (8) eine Verwebung entsteht.

12. Fahrradlaufrad nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Speichenabschnitt (2.1, 2.2) der Speichen (2) der ersten Speichengruppe (20), im vorgespannten Zustand, zu einer Aussengeometrie der Felge (1), gemessen an einer Tangente (t1) angelegt an die Aussengeometrie der Felge im ersten bzw. zweiten Fusspunkt (4.1, 4.2) einen Einführungswinkel beta (β) und der erste und zweite Speichenabschnitt (2.1 ́, 2.2 ́) der Speichen (2) der zweiten Speichengruppe (200), im vorgespannten Zustand, gemessen an einer Tangente (t2) angelegt an die Aussengeometrie der Felge (1) im ersten weiteren bzw. zweiten weiteren Fusspunkt (4.1 ́, 4.2 ́) einen Einführungswinkel alpha (α) einnehmen, wobei alpha (α) grösser 90° und beta (β) grösser als alpha (α) ist, vorzugsweise beta (β) einen Wert zwischen 120° und 180° aufweist, wobei dies auf eine Schnittebene bezogen ist, die durch die Rotationsachse des Fahrradlaufrads und den jeweiligen Fusspunkt definiert ist.

13. Fahrradlaufrad nach einem der Ansprüche 4 bis 12, gekennzeichnet durch einen Winkel alpha-strich (α ́) gemessen zwischen einer parallelen Ebene zur Symmetrieebene der Felge (1), welche durch die weiteren ersten Fusspunkte (4.1 ́) verläuft, und dem ersten Speichenabschnitt (2.1 ́) der zweiten Speichengruppe (200), im vorgespannten Zustand auf der Nicht-Bremsscheibenseite (31) und durch einen Winkel beta-strich (β ́) gemessen zwischen einer parallelen Ebene zur Symmetrieebene der Felge (1), welche durch die ersten Fusspunkte (4.1) verläuft, und dem ersten Speichenabschnitt (2.1) der ersten Speichengruppe (20), im vorgespannten Zustand auf der Bremsscheibenseite (30), wobei sich die Winkel alpha-strich (α ́) und beta-strich (β ́) um einem Wert kleiner oder gleich 2° unterscheiden, und alpha-strich (α ́) vorzugsweise grösser ist als beta-strich (β ́).

14. Fahrradlaufrad nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Felge (1), Speichen (2) und Zentrum (3) einstückig in einem Schritt laminiert werden, vorzugsweise die Speichen (2) durchgängig laminiert werden.

15. Fahrradlaufrad nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Felge (1) als symmetrischer Körper, vorzugsweise als ein Hohlkörper ausgebildet ist.

16. Verfahren zur Herstellung eines Fahrradlaufrads mit vorgespannten Speichen in zwei Grundschritten, wobei in einem ersten Grundschritt das Laminieren der Felge (1), der Speichen (2) und des Zentrums (3) mit einer Bremsscheibenseite und eine Nicht-Bremsscheibenseite einstückig in einem Schritt erfolgt, wobei die Speichen (2) einen ersten und einen zweiten Speichenabschnitt (2.1, 2.2, 2.1 ́, 2.2 ́) aufweisen und diese Speichenabschnitte in einer geschwungenen Form laminiert werden, gefolgt vom Aushärten und in einem zweiten Grundschritt das Vorspannen der Speichen erfolgt, indem die beiden Seiten in horizontaler Richtung (F) auseinander gezogen werden, wobei im vorgespannten Zustand der erste und zweite Speichenabschnitt (2.1, 2.2, 2.1 ́, 2.2 ́ ) einen im Wesentlichen geraden Verlauf zeigen und das Einsetzen der Nabe (10) ausgeführt wird, welche die Speichen (2) im vorgespannten Zustand hält.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Grundschritt der erste und der zweite Speichenabschnitt (2.1; 2.2) der Speichen (2) derart laminiert werden, dass diese je eine S-Form aufweisen.

18. Fahrradlaufrad mit vorgespannten Speichen hergestellt nach einem Verfahren gemäss Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrradlaufrad eine Felge (1), eine Mehrzahl von Speichen (2), eine Nabe (10) und ein Zentrum (3) mit einer Bremsscheibenseite und einer Nicht-Bremsscheibenseite umfasst, wobei die Speichen (2) je einen ersten und zweiten Speichenabschnitt (2.1; 2.2) aufweisen, der je zwischen der Felge (1) und dem Zentrum (3) verläuft und die beiden Speichenabschnitte (2.1, 2.2) im Wesentlichen gerade verlaufen und die Nabe (10) die Speichen in einem vorgespannten Zustand hält.