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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrrad und einen Fahrradrahmen.
Fahrradrahmen haben die Aufgabe als Gestell alle wesentlichen Funktionselemente
eines Fahrrades, die zur Fortbewegung notwendig sind, zu tragen
und zu verbinden. Das Fahrrad selbst muss das Gewicht eines auf
dem Fahrrad sitzenden Fahrradfahrers, nachstehend Fahrer genannt,
tragen. Für
den Rahmen heißt
das, dass er überaus
stabil, fest und steif gefertigt sein muss, um den gerade genannten
Anforderungen zu genügen.
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Jedoch
ist ein Fahrrad ein Fortbewegungsmittel, das zum Antrieb Muskelkraft
benötigt,
die vom Fahrer aufgebracht werden muss. Je schwerer das Fahrrad
ist, desto mehr Muskelkraft muss vom Fahrer zur Fortbewegung aufgebracht
werden, um das Fahrrad anzutreiben. Dies führt zu einer raschen Ermüdung des
Fahrers.
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In
Spezialanwendungen kann das Gewicht des Fahrrads eine entscheidende
Rolle Spielen. Im Rennradsport müssen
lange Strecken zurückgelegt werden,
die zum Teil sehr bergig sind. Daher kommt es im Rennradsport insbesondere
darauf an, jedes überflüssige Gramm
am Fahrrad wegzulassen.
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Herkömmliche
Rahmen von Fahrrädern
stellen meist nur einen Kompromiss zwischen Material und Kosten
dar. Einerseits gibt es sehr steife und feste Materialien, bspw.
Stahl, die aber andererseits sehr schwer sind. Andererseits gibt
es Leichtbaumaterialien wie Aluminium oder Titan, die teurer als Stahl
aber auch nicht so stabil sind, so dass die geringere Festigkeit
und Steifigkeit durch die Konstruktion ausgeglichen werden muss.
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Das
wird meistens dadurch erreicht, dass man den Rohrquerschnitt des
Rahmens vergrößert. Gerade
für Fahrräder im Straßenradsport
ist dies aber eine schlechte Alternative, da dies zu einer Erhöhung des
Luftwiderstandes führt,
was wiederum bedeutet, dass der Fahrer zur Fortbewegung mehr Kraft
aufbringen muss.
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Konstruktion
zum Aufbau eines Fahrradrahmens anzugeben, die ein besonders geringes
Gewicht ermöglicht.
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Die
Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Die
Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass ein Rahmen durch Verspannen
stabiler und steifer wird. Daher schlägt die Erfindung einen Fahrradrahmen
vor, bei dem der gegenüberliegende Punkte
am Rahmen mit jeweils wenigstens einem Verbindungselement verbunden
oder verspannt sind.
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Diese
Punkte werden dann jeweils mit Verbindungselementen verbunden, so
dass sich die Verbindungselemente einander kreuzenden. Im Vergleich
zum herkömmlichen
Rahmen wird dadurch von den Verbindungselementen an den Punkten
die Kraft aufgeteilt, die auf den Rahmen einwirkt und diesen verformt.
Diese Aufteilung der Kraft bewirkt, dass der Rahmen weniger belastet
wird, so dass für
den Rahmen auch Materialien vorgesehen werden können, die sich leichter sind
und sich leichter verformen lassen.
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In
einer besonderen Ausführung
der Erfindung sind die Verbindungselemente auf Zug belastbar, so
dass die Kraftaufteilung an den Verbindungspunkten besonders optimal
ist. Außerdem
sind auf Zug belastbare Verbindungselemente besonders leicht. Hier
können
insbesondere Drahtseile zum Einsatz kommen, die besonders leicht
sind, aber hohe Kräfte
aufnehmen können.
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Alternativ
können
die Verbindungselemente auch als Speichen ausgebildet sein, die
besonders gut spannbar sind. Diese Speichen können entweder vorgespannt verbaut
werden oder auch ohne Vorspannung an den Punkten befestigt werden.
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In
einer alternativen Ausführungsform
besteht jedes Verbindungselement aus zwei im Wesentlichen parallel
laufenden Teilverbindungselementen. Dadurch können auch Abschnitte des Rahmens
optimal verbunden werden, die mit einem einfachen Verbindungselement
nicht optimal verbunden werden können.
Als Beispiel sei hier die Hinterradaufnahme erwähnt.
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Zusätzlich können die
Teilverbindungselemente an einer der Verbindungsstellen um den Rahmen
herum geführt
und dann miteinander verbunden werden. Dies stellt eine besonders
geeignete Möglichkeit
dar, die Verbindungselemente zu befestigen.
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Unmittelbar
am Rahmen selbst können
ein Sattel, ein Tretlager, ein Steuerrohr und eine Hinterradaufnahme
befestigt sein. Das führt
dazu, dass auf komplizierte Verbindungsmechanismen verzichtet werden
kann und das Fahrrad noch leichter wird.
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Ein
erstes Verbindungselement ist besonders bevorzugt zwischen dem Steuerrohr
und der Hinterradaufnahme angeordnet. Die Hinterradaufnahme und
das Steuerrohr sind Schwachstellen im Fahrradrahmen. Durch das erste
Verbindungselement können
hier Kräfte
besonders effektiv aufgenommen und verteilt werden.
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Ein
zweites Verbindungselement ist bevorzugt zwischen Sattel und Tretlager
befestigt, wodurch ebenfalls zwei sehr lastanfällige Verbindungspunkte miteinander
verbunden werden.
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Ferner
ist der Fahrradrahmen in seinem hinteren Bereich in zwei Schenkel
aufgespalten. Dadurch wird die Aufnahme eines Hinterrades ermöglicht.
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In
einer weiteren Ausführung
der Erfindung ist der Rahmen viereckig ausgebildet. Dies ist fertigungstechnisch
besonders vorteilhaft, da dies durch eine einfache Verbindung von
vier Stangen möglich ist.
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Alternativ
kann der Rahmen auch eine eiförmige
Struktur haben, die besonders stabil ist.
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Bevorzugt
ist der Rahmen in seinem hinteren Bereich halbkreisförmig ausgebildet,
wobei der Rahmen dann im vorderen Bereich ein gerades Oberrohr und
ein gerades Unterrohr aufweist. Der halbkreisförmige hintere Bereich, das
gerade Oberrohr und das gerade Unterrohr sind dabei zu einer Stehaufmännchen-Struktur
verbunden. Dadurch können
die hohe Stabilität
der Eiform und die einfache Bauweise der Viereckform miteinander
kombiniert werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
laufen die Verbindungselemente in einer Nabe zusammen, die innerhalb
einer vom Rahmen aufgespannten Fläche angeordnet ist. Dadurch
können
weitere Verbindungselemente verwendet werden, die nicht zwangsläufig durch
den gesamten Rahmen gespannt werden.
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Somit
kann eine Belastung in den Verbindungspunkten noch besser aufgeteilt
werden.
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Beispielsweise
können
alle Verbindungselemente sternförmig
von der Nabe abragen, um so die Stabilität im Rahmen optimal zu erhöhen.
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Als
Material kann für
den Rahmen Kunststoff, bspw. Karbon, gewählt werden, da das Material eine
geringe Dichte aufweist und damit besonders leicht aber auch ausreichend
stabil ist. Alternativ kann der Rahmen aber auch aus Metall und
dabei insbesondere aus Aluminium hergestellt sein. Aluminium weist
ebenfalls eine sehr geringe Dichte auf und ist dazu noch wiederverwertbar.
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Das
Prinzip der Erfindung soll anhand der folgenden detaillierten Beschreibung
sowie den Zeichnungen verdeutlicht werden. In den Zeichnungen zeigen:
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1 ein
Fahrrad mit einem erfindungsgemäßen Rahmen,
der eine viereckige Form aufweist;
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2 ein
Fahrrad mit einem erfindungsgemäßen Rahmen,
der eine eiförmige
Form aufweist; und
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3 ein
Fahrrad mit einem erfindungsgemäßen Rahmen,
der eine Stehaufmännchenform aufweist.
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Das
in 1 gezeigte Fahrrad hat einen Rahmen 100 mit
einer viereckigen Form. Das Fahrrad weist außer dem Rahmen 100 eine
vordere Radgabel 200, einen Lenker 300, ein Vorderrad 400,
ein Hinterrad 500, ein Tretlager 600 und eine
Kette 700 auf.
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Der
Rahmen 100 enthält
ein Oberrohr 111, ein Unterrohr 112, zwei im Wesentlichen
parallele Kettenstreben 113 und zwei im Wesentlichen parallele
Sitzstreben 114, die zu einem unregelmäßigen Viereck zusammengesetzt
sind. An einem ersten Verbindungspunkt zwischen Oberrohr 111 und
Unterrohr 112 ist ein Steuerrohr 121 zum Führen der
vorderen Radgabel 200 vorgesehen. An einem zweiten Verbindungspunkt
zwischen dem Oberrohr 111 und den zwei Sitzstreben 114 befindet
sich ein Sattel 122 zum Sitzen des Fahrers. An einem dritten
Verbindungspunkt zwischen dem Unterrohr 112 und den zwei
Kettenstreben 113 ist ein Tretlagergehäuse 123 zur Aufnahme
des Tretlagers 600 vorgesehen. Die zwei Kettenstreben 113 und
die zwei Sitzstreben 114 bilden die Schenkel zur Aufnahme
des Hinterrades und laufen an der vierten Ecke des unregelmäßigen Vierecks
in je einem eigenen vierten Verbindungspunkt zusammen. Dort befindet
sich die Hinterradaufnahme 124. Das Steuerrohr 121,
der Sattel 122, das Tretlagergehäuse 123 und die Hinterradaufnahme 124 können am
Rahmen als separate Elemente vorgesehen werden.
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So
kann das Steuerrohr 121 als ein extra Rohr durch Verschweißen, Verschrauben
oder jedes andere passende Verbindungsverfahren befestigt werden.
Dabei müssen
das Oberrohr 111 und das Unterrohr 112 nicht zwangsläufig in
einem Punkt zusammenlaufen. Denkbar ist auch, dass das Oberrohr 111 und
das Unterrohr 112 in zwei verschiedenen Punkten am Steuerrohr 121 mit
diesem verbunden sind. Das Steuerrohr 121 kann aber auch
derart in den Rahmen 100 integriert sein, dass einfach
ein passendes Loch an der Verbindungsstelle zwischen Oberrohr 111 und
Unterrohr 112 gefertig wird.
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Der
Sattel 122 wird direkt am Rahmen 100 befestigt.
Dadurch kann auf ein Sattelrohr und ein entsprechendes Aufnahmerohr
im Rahmen verzichtet werden, wodurch eine weitere Gewichtseinsparung
möglich
wird. Der Sattel 122 kann beispielsweise lösbar durch
Verschrauben mit dem Rahmen verbunden werden.
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Wie
bereits das Steuerrohr 121 und der Sattel 122 können das
Tretlagergehäuse 123 und
die Hinterradaufnahme 124 separat am Rahmen befestigt werden
oder fest in diesen integriert sein. Dabei können das Unterrohr 112 und
die parallelen Kettenstreben 113 in einem Punkt oder an
verschiedenen Punkten mit dem Tretlagergehäuse 123 und die parallelen
Sitzstreben 114 mit den parallelen Kettenstreben 113 in
einem Punkt oder an verschiedenen Punkten mit der Hinterradaufnahme 124 verbunden
sein. Vorteilhaft ist es, wenn jeweils eine der parallelen Kettenstreben 113 mit
einer der parallelen Sitzstreben 114 verbunden ist. An
diesen Verbindungspunkten wird dann jeweils ein Teil der Hinterradaufnahme 124 durch
Fräsen,
Bohren, Stanzen oder jedes andere spanende Fertigungsverfahren hergestellt.
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Der
erste und der vierte Verbindungspunkt sind mit einem ersten Verbindungselement 131 miteinander
verbunden. Darüber
hinaus sind der zweite und der dritte Verbindungspunkt miteinander
durch ein zweites Verbindungselement 132 verbunden. Der Hintergrund
dieser Verbindungselemente 131, 132 ist es, den
Rahmen steifer zu machen und die Kräfte an diesen Punkten besser
zu verteilen. Am Beispiel des ersten Verbindungspunkts zwischen
Oberrohr 111 und den Sitzstreben 114 ist erkennbar,
dass dieser durch eine Gewichtskraft, die vom Fahrer ausgeübt wird,
belastet wird. Ohne das Verbindungselement müssten das Oberrohr 111 und
die Sitzstreben 114 diese Gewichtskraft aufnehmen und vollständig kompensieren.
Durch die beschränkte
Steifigkeit des Materials des Rahmens 100 verformt sich
dieser und es wirken auf alle vier Verbindungspunkte Verformungskräfte. Um
diesen Verformungskräften
entgegen zu wirken, nehmen das erste und zweite Verbindungselement 131, 132 nun
einen Teil dieser Verformungskräfte
auf und verteilen so die Belastung auf alle vier Verbindungspunkte.
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Wenn
für die
beiden Verbindungselemente 131, 132 auf Zug und
Druck belastbare Materialen zum Einsatz kommen, dann können Streben
aller Art verwendet werden. Vorzugsweise werden jedoch rein auf
Zug belastbare Verbindungselemente 131, 132 verwendet
und zwischen den Verbindungspunkten verspannt. So wird eine optimale
Stabilität
gewährleistet.
Auf Zug belastbare Verbindungselemente haben wenig Gewicht und reduzieren
damit das Gewicht des Rahmens 100. Außerdem wird dadurch die Steifigkeit
erhöht.
Durch das Verspannen wird die Steifigkeit des Rahmens 100 erhöht, obwohl
für den Rahmen 100 Materialien
mit einem kleinen Elastizitätsmodul
verwendet werden. Dieses geringe Elastizitätsmodul muss dann auch nicht
durch die Konstruktion ausgeglichen werden, so dass Material, Gewicht
und somit auch Kosten gespart werden können. Optimalerweise werden
für die
auf Zug belastbaren Verbindungselemente 131, 132 Seile
oder Speichen gewählt.
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Weiterhin
ist es bevorzugt, mindestens eines der Verbindungselemente 131, 132 so
auszubilden, dass es im gespannten Zustand zwei parallele Einzelverbindungselemente
aufweist, die zwischen ihren zwei Verbindungspunkten gespannt sind.
Beispielsweise besitzt das erste Verbindungselement 131 eine
Länge,
die mehr als doppelt so lang ist, wie der Abstand zwischen dem ersten
und vierten Verbindungspunkt. Am ersten Verbindungspunkt wird das Verbindungselement 131 um
das Steuerrohr 121 herum geführt. Am vierten Ver bindungspunkt
wird das Verbindungselement mit seinen zwei Enden jeweils an einer
ersten Seite der Hinterradaufnahme 124 und an der anderen
Seite der Hinterradaufnahme 124 befestigt und gespannt.
Dadurch lässt
sich erreichen, dass alle Verbindungspunkte, die durch die parallelen
Sitzstreben 114 und die parallelen Kettenstreben 113 gebildet
werden, mit einem Verbindungselement 131 verspannt sind.
Das ergibt eine gleichmäßige Verspannung
für den
Rahmen 100, der damit optimal Belastungen aufnehmen kann.
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Der
erfindungsgemäße Rahmen 100 ist
mit Verbindungselementen 131, 132 verspannt, die
vorzugsweise Seile oder Speichen sind. Durch diese Verspannung wird
die Steifigkeit des Rahmens 100 erhöht, wodurch leichtere Materialen
mit einem geringeren Elastizitätsmodul
verwendet werden können, ohne
dass dies in der Konstruktion des Rahmens 100 berücksichtigt
werden muss. Dadurch können
Material, Gewicht und Kosten eingespart werden. Geht man von einem
herkömmlichen
Diamantrahmen aus, so kann in diesem die Sitzstange zwischen dem
Sattel und dem Tretlagergehäuse
weggelassen werden. Dies führt
zu einer Gewichtseinsparung von 300–400 g. Darüber hinaus lässt sich
eine große
Variation der Rahmengeometrie erreichen, so dass auch eine extreme
Kurzbauweise realisierbar ist. Diese variable Geometrie ist Gegenstand
der folgenden Ausführungsbeispiele.
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2 zeigt
ein Fahrrad in einer perspektivischen Ansicht mit einem erfindungsgemäßen Rahmen,
der eine eiförmige
Form aufweist. Das Fahrrad umfasst dabei einen Rahmen 100' gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung. Neben dem Rahmen 100' weist auch das Fahrrad nach 2 eine
vordere Radgabel 200, einen Lenker 300, ein Vorderrad 400,
ein Hinterrad 500, ein Tretlager 600 und eine
Kette 700 auf.
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Der
Rahmen 100' ist
eiförmig
ausgebildet. Diese Form wird den Belastungsverhältnissen im Rahmen 100' am gerechtesten,
da auf einem hinteren Teil des Rahmens 100' mehr Gewicht aufliegt als auf
einem vorderen Teil des Rahmens. Dadurch kann der Rahmen aus einem
leichteren Material hergestellt werden, was zu zusätzlichen
Gewichtseinsparungen führt.
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An
der Spitze des eiförmigen
Rahmens 100' ist
ein Steuerrohr 121 analog zur ersten Ausführungsform
entweder am Rahmen 100' befestigt
oder in den Rahmen 100' integriert.
Von der Spitze des eiförmigen
Rahmens 100' führen zwei Rohre 111', 112' nach hinten
zur Hinterradaufnahme. Am ersten Rohr 111' ist etwa auf halber Länge ein
Sattel 122 befestigt. Beim zweiten Rohr 112' ist etwa auf
halber Länge ein
Tretlagergehäuse 123 angeordnet.
Sattel 122 und Tretlagergehäuse 123 können wie
im ersten Ausführungsbeispiel
entweder am Rahmen befestigt oder entsprechend in den Rahmen 100' integriert werden.
Zwischen Sattel 122 und Tretlagergehäuse 123 ist der Rahmen 100' in zwei Schenkel
oder in zwei einzelne Stangen aufgespalten, an denen die Hinterradaufnahme 124 angeordnet
ist. So kann das Hinterrad 500 darin aufgenommen werden.
Die nach oben führenden
Stangen bilden die Sitzstreben 114, wobei die Kettenstreben
im Bereich der Schenkel zwischen Hinterradaufnahme 124 und
Tretlagergehäuse 123 verlaufen.
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Der
eiförmige
Rahmen 100' gemäß der zweiten
Ausführungsform
ist sternförmig
mit auf Zug belastbaren Verbindungselementen 130 verspannt.
Dabei ist innerhalb des eiförmigen
Rahmens 100' eine Nabe 140 vorgesehen,
die mit allen Verbindungselementen 130 einseitig verbunden
ist. Die Verbindungselemente 130 werden nun gemäß der Physik eines
Eies so am Umfang des Rahmens 100' verspannt, dass im Bereich der
Sitzstreben 114 eine höhere
Verspannungsdichte existiert als im Bereich der Spitze des Rahmens 100'.
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Durch
die unterschiedlich beabstandete Verspannung des eiförmigen Rahmens 100' wird den Belastungszuständen im
Rahmen 100' am
besten Rechnung getragen, da der Rahmen 100' im hinteren Teil durch das Gewicht
des Fahrers höher
belastet ist, als im vorderen Teil. Somit kann mit dieser Ausführungsform
ein steiferer und festerer Rahmen 100' als mit der ersten Ausführungsform
erreicht werden. Anders ausgedrückt
kann man mit der zweiten Ausführungsform
die gleiche Festigkeit und Steifigkeit des Rahmens mit weniger Material
im Vergleich zur ersten Ausführungsform
der Erfindung erreichen, so dass Gewicht und Kosten eingespart werden
können.
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3 zeigt
ein Fahrrad gemäß einer
dritten Ausführungsform
mit einem erfindungsgemäßen Rahmen 100'', der eine Stehaufmännchenform
aufweist. Neben dem Rahmen 100'' weist
das Fahrrad nach 3 weiter eine vordere Radgabel 200,
einen Lenker 300, ein Vorderrad 400, ein Hinterrad 500,
ein Tretlager 600 und eine Kette 700 auf.
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Der
Rahmen 100'' stellt eine
Art Kompromiss zwischen dem Rahmen 100 der ersten Ausführungsform
und dem Rahmen 100' der
zweiten Ausführungsform
dar. Der Rahmen 100'' ist in Form
eines Stehaufmännchens
konstruiert und weist ein Oberrohr 111'',
ein Unterrohr 112'' sowie zwei
(nicht dargestellt) parallele halbkreisförmige Hinterrohre 113'', 114'' zum
Aufnehmen des Hinterrades 500 auf. Das Oberrohr 111'' und das Unterrohr 112" sind wie in
der ersten Ausführungsform
des Rahmens 100 miteinander verbunden, wobei wieder ein
Steuerrohr 121 am Rahmen 100'' entweder
befestigt oder integriert ist. An der Verbindung zwischen Oberrohr 111" und Hinterrohren 113'', 114'',
die wie in den vorangegangen Ausführungsbeispielen beliebig ausgestaltet
sein kann, ist ein Sattel 122 entweder in den Rahmen 100'' integriert, am Rahmen lösbar verbunden
oder über
ein Sattelrohr höhenverstellbar
mit dem Rahmen 100'' verbunden.
An der Verbindung zwischen Unterrohr 112'' und
den Hinterrohren 113'' ist ein Tretlagergehäuse 123 vorgesehen,
das analog zum ersten Ausführungsbeispiel
des Rahmens 100 lösbar oder
fest mit dem Rahmen 100'' verbunden oder
in den Rahmen 100'' integriert
ist. In der unteren Hälfte der
Hinterrohre 113'' ist ferner
eine Hinterradaufnahme 124 angeordnet, in der das Hinterrad
gehalten wird.
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Analog
zum zweiten Ausführungsbeispiel
ist in der Mitte des Rahmens eine Nabe 140 angeordnet, an
der auf Zug belastbare Verbindungselemente 130 befestigt
sind. Die Verbindungselemente werden an verschiedenen Punkten des
Rahmens 100'' befestigt und
dann gespannt. Vorzugsweise werden an den parallelen halbkreisförmigen Hinterrohren 113'' mehrere Verbindungselemente 130 in
kleineren Abständen
verspannt. Dadurch wird am hinteren Teil des Rahmens 100'' eine höhere Stabilität und Steifigkeit erreicht,
als im vorderen Teil des Rahmens 100''.
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Der
Rahmen 100'' gemäß der dritten
Ausführungsform
ist leichter zu fertigen als der Rahmen 100' gemäß der zweiten Ausführungsform.
Jedoch übernimmt
der Rahmen 100'' gemäß der dritten
Ausführungsform
für seinen
hinteren Teil die Stabilität
und Steifigkeit, die die Eiform des Rahmens 100' gemäß der zweiten
Ausführungsbeispiels
bietet.
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Ein
Rahmen gemäß der vorliegenden
Erfindung kann durch die Verbindungselemente somit mit weniger Gewicht
die gleiche Steifigkeit und Stabilität er langen, wie ein Rahmen
gemäß dem Stand
der Technik. Dadurch können
Material und somit auch Fertigungskosten eingespart werden.
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Die
Verbindungselemente können
als Seile 130, 131, 132 ausgebildet sein,
wobei dann insbesondere Kohlefaserverstärkte Seile verwendet werden
können,
da dieser eine besonderes hohe Zugfestigkeit aufweisen.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Fahrrad
bzw. Fahrradrahmen lassen sich insbesondere für Rennräder Gewichtseinsparungen erzielen.
Weiter kann durch die einstellbare Verspannung der Verbindungselemente
die Steifigkeit des Rahmens in gewissen Grenzen an die Einsatzbedingungen
angepasst werden. Die Stärke
der Verspannung lässt
sich insbesondere durch die Anzahl und Art der Verbindungselemente
beeinflussen. Weiter ist es möglich, ähnlich wie
bei den Speichen in den Rädern,
die Stärke
der Verspannung über
Spanneinrichtungen zu beeinflussen.
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Auch
wenn es nur für
die dritte Ausgestaltung erwähnt
ist, können
auch bei den ersten beiden Ausgestaltungen statt einer festen Befestigung
des Sattels am Rahmen Konstruktionen verwendet werden, die eine
Höhenverstellung
des Sattels erlauben.