-
Die
Erfindung betrifft ein Speichenlaufrad mit einer Hohlkammerfelge,
die einen radial inneren Flansch, einen radial äußeren Flansch, zwei Seitenwände sowie
mehrere Speichenlöcher,
welche im radial inneren Flansch angeordnet sind, und mindestens
ein Verstärkungselement
aufweist, das mit einer Außenfläche der
Hohlkammerfelge im Bereich des radial inneren Flansches und mindestens
einer der zwei Seitenwände
in Abschnitten, welche eines oder mehrere der Speichenlöcher umgeben,
verbunden ist.
-
Üblicherweise
werden Felgen für
Speichenlaufräder
aus stranggepressten Hohlkammerprofilen hergestellt, die aus einem
radial äußeren und
einem radial inneren Flansch bestehen, sowie zwei seitlichen Verbindungswänden. Spezielle
strömungsgünstige Felgenprofile
besitzen einen radial inneren Flansch, der sehr schmal ist und im
Extremfall mit den seitlichen Wänden
zusammenfallen kann. Es existieren auch Hohlkammerfelgen, die in
ihrem Inneren noch senkrechte oder vertikale Verstärkungsrippen
aufweisen.
-
In
neuester Zeit wurde ein Felgenprofil vorgeschlagen, deren radial
innerer Flansch zur besseren Ableitung der um die Speichenbohrung
herum auftretenden Kräfte
einen nach radial außen
ausgeführten
Bogen mit angrenzenden senkrechten Stützwänden aufweist (
DE 103 60 271 B3 .
-
Für das Befestigen
der Speichen an der Felge sind verschiedene Konstruktionsvarianten üblich: Die
klassische Variante sieht doppelte Ösen vor, die den Nippelkopf
aufnehmen und am radial äußeren sowie
radial inneren Felgenflansch abgestützt sind, wobei der radial äußere und
der radial innere Felgenflansch durchbohrt ist. Diese Befestigung
ist nicht besonders haltbar, da durch Fertigungstoleranzen der Ösen und
des Felgenprofils eine definierte Kraftaufteilung zwischen dem radial
inneren und dem radial äußeren Felgenflansch
nicht möglich
ist. Für
Speichenlaufräder
mit geringer Speichenanzahl, die besonders belastbare Felgen-Speichen
Verbindungen benötigen,
ist diese Konstruktionsvariante daher nicht geeignet.
-
Bei
anderen Felgenausführungen
hängen die
Speichennippel nur im radial inneren Felgenflansch, der daher mit
einer deutlich höheren
Wandstärke
versehen sein muss, um eine ausreichende Festigkeit zu gewährleisten.
Hier dient die Bohrung im radial äußeren Felgenflansch nur zur
Einführung des
Speichennippels bei der Montage. Es gibt auch Konstruktionen, bei
denen es nicht notwendig ist, den radial äußeren Felgenflansch zu durchbohren,
etwa durch eine Gewindeverbindung zwischen Felge und Nippel, die
es erlaubt, den Nippel von der radial inneren Seite her zu montieren.
-
Die
wichtigsten Eigenschaften einer Felge für Fahrradspeichenlaufräder sind
neben einer hohen Festigkeit ein möglichst geringes Gewicht, da durch
die Rotation der Laufräder
das Felgengewicht durch das dadurch auftretende Trägheitsmoment
bei Beschleunigung in zweifacher Weise wirksam ist, sowie eine strömungsgünstige Formgebung,
da durch das Abrollen der Laufräder
während
der Fahrt die Felge gegenüber
dem Aufstandspunkt mit fast doppelter Fahrgeschwindigkeit durch
die Luft bewegt wird. Angesichts des quadratischen Anstiegs des Luftwiderstandes
mit der Geschwindigkeit ist Aerodynamik somit ein sehr wesentliches
Konstruktionsmerkmal von Laufrädern.
In diese Richtung zielt auch die in jüngerer Zeit zu beobachtende
Entwicklung, die Speichenanzahl von Fahrrad-Laufrädern generell
zu vermindern.
-
Es
ist somit grundsätzlich
anzustreben, eine im Gewicht sehr stark reduzierte Felge für aerodynamisch
optimierte Fahrradlaufräder
mit reduzierter Speichenzahl herzustellen, die bei hoher Festigkeit auch
noch hervorragende Aerodynamik bietet.
-
Das
Problem ist nun die gleichzeitige Maximierung der drei oben angeführten Eigenschaften Festigkeit,
Leichtigkeit und Aerodynamik.
-
Aerodynamische
Laufräder
weisen deutlich reduzierte Speichenzahlen auf, was zu wesentlich höheren Belastungen
der Felge im Bereich der Speichenlöcher führt.
-
Zur
Sicherstellung ausreichender Festigkeit und Dauerhaltbarkeit ist
es erforderlich in den hochbelasteten Bereichen des radial inneren
Felgenflansches deutlich vergrößerte Wandstärken vorzusehen,
was das Gewicht unnötig
erhöht,
da gemäß dem Herstellungsverfahren
des Strangpressens diese Verstärkung
nicht lokal, sondern nur über
den gesamten Felgenumfang ausführbar
ist.
-
Man
hat versucht, durch großflächigen mechanischen
Materialabtrag von außen
die erwünschte
Reduzierung der Materialstärken
an den weniger belasteten Stellen zwischen den Speichenlöchern zu realisieren.
Derartige Verfahren können
das Gewicht unter geringer Verminderung der Festigkeit und Dauerhaltbarkeit
reduzieren, zerstören
aber die für
gute Aerodynamik unabdingbare glatte Außenfläche des Felgenprofils durch
bis zu 3 mm tiefe Rücksprünge, so
dass es zu unerwünschter
Luftwirbelbildung unter erheblichem Anstieg des Luftwiderstandes
kommt. Dies bedeutet, dass die unerwünschte Eigenschaft des hohen
Gewichts gegen die unerwünschte
Eigenschaft der schlechten Aerodynamik eingetauscht wird.
-
Dasselbe
gilt für
Felgenkonstruktionen der eingangs genannten Art, die aus der
US 2004/0222689 A1 bekannt
sind und bei denen im Bereich der Speichenlöcher Verstärkungselemente, die aus demselben
Material wie die Felge bestehen, von außen auf das Felgenprofil aufgelötet oder
geschweißt
sind. Da das Material der Verstärkungselemente
damit die gleiche Festigkeit aufweist, müssen, um den hohen Belastungen
zu widerstehen, hohe Materialstärken
verwendet werden. Dadurch entstehen mehrere Millimeter hohe Vorsprünge auf
der Außenfläche des
Felgeprofils, so dass es wiederum zu unerwünschter Luftwirbelbildung unter
erheblichem Anstieg des Luftwiderstandes kommt.
-
Eine
aus der am 04.10.2007 veröffentlichten
DE 10 2006 048 191
A1 bekannte Fahrradfelge weist eine Mehrzahl Verstärkungselemente
auf, die über diskreten äußeren Oberflächenzonen
eines Speichenbefestigungsabschnitts zu liegen kommen, der die Speichenöffnungen
umgibt. Die Verstärkungselemente
decken somit die Speichenöffnungen
ab oder werden in diese eingeführt.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Speichenlaufrad bereitzustellen,
das sich bei hoher Festigkeit und Dauerhaltbarkeit durch ein möglichst
geringes Gewicht und zugleich eine hervorragende Aerodynamik auszeichnet.
-
Diese
Aufgabe wird durch ein Speichenlaufrad mit den Merkmalen des Anspruches
1 gelöst.
Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Danach
ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass
eine Außenfläche der
Hohlkammerfelge des Speichenlaufrads im Bereich eines radial inneren Flansches
und mindestens einer von zwei Seitenwänden – bevorzugt im Bereich beider
Seitenwände – in der
Umgebung der hochbelasteten Speichenlöcher mit einem dünnen Verstärkungselement
eines hochbelastbaren und steifen Materials, vorzugsweise einem
Faserverbundwerkstoff, das nicht mit dem der Felge identisch ist,
verbunden wird. Der radial innere Flansch weist dabei einen nach
radial außen
geführten
Bogen mit angrenzenden seitlichen Stützwänden auf, so dass das Verstärkungselement
mit der Außenfläche der
Hohlkammerfelge im Bereich zwischen den seitlichen Stützwänden nicht
verbunden ist, sondern den Bogen des radial inneren Flansches geradlinig überspannt.
Damit wird der Bogen gegen ein Aufbiegen zusätzlich abgestützt.
-
Bei
Verwendung hochfester Bleche oder Faserverbundwerkstoffe sind die
benötigten
Wandstärken
des aufgebrachten Verstärkungselements
mit den notwendigen Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften nur
wenige 1/10 mm stark, so dass durch die immer noch fast vollständig glatte
Oberfläche
die Aerodynamik praktisch nicht verschlechtert wird. Durch diese äußere Verstärkung können die
Kräfte im
Bereich der Speichenlöcher
am radial inneren Flansch auf die weniger belasteten Seitenwände der Felge
abgeleitet werden, wobei dort eine deutlich größere Fläche zur Krafteinleitung zur
Verfügung steht.
Damit kann die Wandstärke
des radial inneren Flansches des Felgenprofils über den gesamten Felgenumfang
deutlich geringer ausfallen, so dass das Mehrgewicht der Verstärkung überkompensiert
wird und in der Summe eine erhebliche Gewichtsverminderung erzielt
werden kann.
-
Die
erfindungsgemäße Lösung stellt
ein Speichenrad mit einer Hohlkammerfelge zur Verfügung, die
ein deutlich verringertes Gewicht aufweist bei optimaler Aerodynamik
und unverminderter oder sogar gesteigerter Festigkeit und Dauerhaltbarkeit.
-
In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein rechteckförmiges Verstärkungselement
vorgesehen, das an den Seitenwänden
der Felge bis direkt an die Bremsflanken, welche am radial äußeren Bereich
der Seitenwände
angeordnet sind, heranreicht und tangential zum Felgenumfang eine
Ausdehnung von ca. 3–5
cm hat.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist ein doppeltrapezförmiges Verstärkungselement vorgesehen,
das ebenfalls seitlich bis direkt an die Bremsfläche bzw. -flanken heranreicht
und dort 1–2 cm
breiter ist als im Bereich des radial inneren Flansches.
-
Es
kann weiterhin vorgesehen werden, dass das Verstärkungselement aus faserverstärktem Kunststoff
hergestellt wird, wobei die Ausrichtung und Anzahl der Fasern die
vorherrschenden Kraftrichtungen innerhalb der Felge berücksichtigen.
-
Dies
bedeutet vorzugsweise im Bereich des radial inneren Flansches tangential
zum Felgenumfang verlaufende Fasern zum Abfangen von Zugkräften, die
bei Einwirkung von Stößen über den
Reifen von der radial äußeren Seite
her besonders an der Außenseite
des radial inneren Flansches auftreten.
-
Die
durch die Vorspannung der Speichen hervorgerufenen radialen Zugkräfte, die
auf das Felgenprofil wirken, werden vorzugsweise durch radial zum
Felgenumfang ausgerichtete Fasern aufgenommen, die von der einen
zur anderen Seitenwand verlaufend, den besonders belasteten Bereich
der Speichenlöcher
des radial inneren Flansches schlaufenförmig umfassen.
-
Des
Weiteren kann vorgesehen werden, dass die Verstärkung aus faserverstärktem Kunststoff
aus verschiedenen Faserschichten besteht, die zur Aufnahme von Torsionsmomenten
der Felge rechtwinklig zu einander jedoch diagonal zur Tangente
des Felgenumfangs ausgerichtet sind.
-
Bei
erfindungsgemäßen Felgen
mit einem radial inneren Flansch, der einen nach radial außen ausgeführten Bogen
aufweist, kann durch radial zum Felgenumfang ausgerichtete Fasern,
die von der einen zur anderen Seitenwand verlaufend den Bogen des
Felgenprofils quer überspannen,
dieser Bogen gegen ein Aufbiegen zusätzlich abgestützt werden.
-
Das
Verstärkungselement
aus faserverstärktem
Kunststoff kann bevorzugt als vorher ausgehärtetes Formteil auf die Felge
aufgeklebt werden oder direkt auf der Felgenoberfläche mittels
einer Gegenform ausgehärtet
werden, wobei nass laminiert werden kann oder vorimprägnierte
Prepregs aufgelegt werden können,
die anschließend
unter Wärmezufuhr
aushärten.
-
Zur
Erzielung einer interessanten ästhetischen
Wirkung ist das Verstärkungselement
vorzugsweise in einer Kontrastfarbe zur Felgenoberfläche ausgeführt.
-
Die
Erfindung wird nachstehend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf
die Figuren näher
erläutert.
Es zeigen:
-
1a eine
Querschnittsansicht einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Felge,
-
1b eine
Seitenansicht der Felge der 1a,
-
2a eine
Seitenansicht einer zweiten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Felge
und
-
2b eine
Seitenansicht einer dritten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Felge.
-
Die 1a und 1b zeigen
das Profil einer Hohlkammerfelge (15) für ein Speichenlaufrad mit einem
radial inneren Flansch (2) und einem radial äußeren Flansch
(4) sowie zwei Seitenwänden
(1), wobei der radial innere Flansch mehrere Speichenlöcher (3)
aufweist. Der radial innere Felgenflansch (2) weist einen
nach radial außen
ausgeführten
Bogen mit angrenzenden senkrechten Stützwänden (6) auf.
-
Es
ist für
eine günstige
Aerodynamik anzustreben, die Anzahl der Speichen so weit wie möglich zu
reduzieren. Dies geht einher mit höheren Belastungen der Felge
im Bereich der Speichenlöcher
(3), die dadurch kompensiert werden, dass der radial innere
Felgenflansch (2) eine erhöhte Wandstärke und damit Belastbarkeit
aufweist.
-
Die
mit der erhöhten
Wandstärke
verbundene nachteilige Gewichtszunahme wird gemäß der erfindungsgemäßen Lösung dadurch
reduziert, dass die Außenflächen, die
durch den radial inneren Flansch (2) und die zwei Seitenwände (1)
gebildet werden, im Bereich der Speichenlöcher (3) mit einer Verstärkung (5)
als Verstärkungsschicht
bzw. Verstärkungselement
kraftschlüssig
verbunden sind, die bis zu einer auf der radial äußeren Seite der Seitenwände (1)
angeordneten Bremsflanke (9) heranreicht. Bei dem in 1a und 1b dargestellten Felgenprofil
ist die Verstärkung
(5) mit der Außenseite
des Felgenprofils im Bereich zwischen den seitlichen Stützwänden (6)
nicht verbunden, sondern überspannt
den Bogen geradlinig.
-
Die 1b zeigt
eine erfindungsgemäße Felge
mit Verstärkungen
(5), die bis zur Bremsflanke (9) heranreichen, wobei
die Breite der Verstärkung (5)
konstant sein kann oder zur Bremsflanke (9) hin in ihrer
Breite zunimmt.
-
Die 2a und 2b zeigen
mögliche
Faserausrichtungen bei Verwendung faserverstärkter Kunststoffe für die Verstärkung. Die
Verstärkung
(5) kann zweischichtig ausgeführt werden, wobei eine Schicht
(10, 12) eine Faseranordnung rechtwinklig zu einer
zweiten Schicht (11, 13) aufweist, wobei die einzelne
Schicht diagonal zur Tangente des Felgenumfangs ausgerichtet ist
(10, 11) oder rechtwinklig (12) oder
parallel (13).
-
Durch
die erfindungsgemäße Verstärkung (5)
aus einem hochfesten, steifen Material wird dadurch, dass die Kräfte im Bereich
der Speichenlöcher (3)
am radial inneren Felgenflansch (2) auf die weniger belasteten
Seitenwände
(1) der Felge abgeleitet werden, eine höhere Belastbarkeit des radial
inneren Felgenflansches (2) im Bereich der Speichenlöcher (3)
bereitgestellt, ohne dass dieser eine erhöhte Wandstärke aufweisen muss.
-
Durch
die erfindungsgemäße Verstärkung (5)
kann die Wandstärke
des radial inneren Flansches (2) des Felgenprofils über den
gesamten Felgenumfang deutlich geringer ausfallen, so dass das Mehrgewicht
der Verstärkung
(5) überkompensiert wird
und in der Summe eine erhebliche Gewichtsverminderung resultiert.
Bei Verwendung hochfester Bleche oder Faserverbundwerkstoffe betragen
die benötigten
Wandstärken
der aufgebrachten Verstärkung
(5) mit den notwendigen Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften
nur wenige Zehntelmillimeter (1/10 mm), so dass ein denkbarer, mit
dem Aufbringen der Verstärkung
(5) einhergehender negativer Effekt auf die Aerodynamik
des Speichenlaufrades durch Stufenbildung auf der Außenfläche mit
resultierender Luftwirbelbildung der Felge vermieden wird.