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Die
Erfindung betrifft ein Fahrrad mit einem Fahrradrahmen, wobei der
Fahrradrahmen ein Steuerrohr, ein Oberrohr, ein Unterrohr, ein Sattelrohr, eine
Sattelstrebe und eine Kettenstrebe aufweist.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Fahrrades
mit einem Fahrradrahmen, wobei ein Steuerrohr, ein Sattelrohr und
zumindest eine Sattelstrebe, ein Oberrohr und ein Unterrohr aus
Faserverbundmaterial hergestellt wird.
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Aus
dem Stand der Technik sind unterschiedliche Fahrradrahmen bekannt.
Ein Fahrrad stellt den Hauptbestandteil eines Fahrrades dar. Der Fahrradrahmen
ist das tragende Gestell eines Fahrrades, der das Gewicht des Fahrers
trägt und dieses auf die Laufräder überträgt.
Ein Fahrradrahmen bildet das Grundgerüst, das alle Komponenten
und Anbauteile des Fahrrades trägt.
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Es
gibt eine Vielzahl von unterschiedlichen Fahrradrahmengeometrien,
wie etwa Diamantgeometrien, Fachwerkgeometrien, Kreuzgeometrien, Trapezgeometrien,
Schwanenhalsgeometrien oder ähnlichem.
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Die
bekannteste Fahrradrahmengeometrie wird als Diamantrahmen bezeichnet.
Ein solcher Diamantrahmen ist aus zwei Dreiecken gebildet, die eine
gute Verteilung der Kräfteeinwirkungen gewährleisten.
Ein vorderes Dreieck bildet dabei den Hauptrahmen und wird durch
ein Oberrohr, ein Unterrohr und ein Steuerrohr gebildet.
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Das
Steuerrohr ist dabei ein Rohr des Rahmens, welches vorne im Wesentlichen
vertikal angeordnet ist, und durch das die Gabel greift, welche
am Vorderrad befestigt ist. Das Oberrohr ist dabei ein im Wesentlichen
horizontal im Bereich des Steuerrohres angeordnetes Rohr, das in
Richtung des hinteren Bereiches des Fahrrades führt. Oberhalb
des Oberrohres ist das Unterrohr angeordnet und führt vom
Steuerrohr nach unten abfallend in den hinteren Bereich des Fahrrades.
Bei Diamantrahmen besteht eine Verbindung an den hinteren Enden
von dem Oberrohr und dem Unterrohr miteinander über ein
Sattelrohr. Das Sattelrohr wird auch als Sitzrohr in der Literatur
bezeichnet. Das Sattelrohr bildet zusammen mit zwei Sattelstreben
und zwei Kettenstreben einen sogenannten Hinterbau eines Fahrraddiamantrahmens.
Das Sattelrohr, die Sattelstreben, die ggf. auch als Sitzstreben
bezeichnet werden, und die Kettenstreben, bilden zusammen ein hinteres
Dreieck, das den Hinterbau bildet. Beide Dreiecke haben als verbindendes
Element das Sattelrohr und ein Tretlagergehäuse. Am Tretlagergehäuse
greifen die Kurbeln mit an ihren Enden angebrachten Pedalen an,
um die Drehbewegung eines Kettenblattes hervorzurufen. Das Kettenblatt
ist kraftübertragend mit einem Ritzelpaket verbunden, das
an dem Hinterrad angreift. Bei einem herkömmlichen Diamantrahmen
wird eine Achse des Hinterrades durch zwei Ausfallenden gehalten.
Jedes Ausfallende ist auf einer Seite des Hinterrades, d. h. auf
einer Seite des Rahmens angeordnet. Jedes Ausfallende ist dabei
jeweils mit einer Kettenstrebe und einer Sattelstrebe verbunden.
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Die
einzelnen Rohre, also Steuerrohr, Oberrohr, Unterrohr und Sattelrohr
sowie die Streben, werden im Stand der Technik entweder miteinander verschweißt
oder verlötet, wenn diese aus Metall, wie etwa Stahl, Aluminium,
Titan, Titanal und/oder Magnesium, sowie entsprechenden Legierungen
bestehen, verklebt. Das Verbinden über „Muffen"
findet dabei nicht nur bei Metallrohren und Streben Anwendung, die
aus Metall gefertigt sind, sondern auch bei Rohren und Streben,
die aus Faserverbundmaterialien gefertigt sind.
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Das
Verbinden über Muffen ist z. B. aus der
DE 692 13 007 T2 und der
US 6,270,104 B1 bekannt. Aus
diesen Dokumenten ist auch ein Fahrradrahmen bekannt, dessen Rohre
und Streben aus Faserverbundmaterial gefertigt sind.
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Die
DE 103 40 339 A1 offenbart
einen Fahrradrahmen, bei dem einzelne Rohre und Streben ineinandergesetzt
werden, und mit Verstärkungsfasern umwickelt werden, um
danach mit Harz auszuhärten. Die
DE 103 40 339 A1 offenbart
auch ein spezielles Verfahren zur Herstellung eines Fahrradrahmens.
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Die
Fertigung eines Fahrradrahmens mittels eines Aufblasverfahrens,
wobei Faserhalbzeuge über einen aufblasbaren Schlauch gelegt
werden, ist aus der
US
2007/0063383 A1 bekannt.
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Auch
die
US 6340509 B1 offenbart
ein Aufblasen und anschließendes Verbinden über
Muffen von Rohren und Streben miteinander.
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Die
US 6109638 offenbart einen
Faserverbundfahrradrahmen mit zwei Kettenstreben und Sattelstreben,
wobei jedoch statt des konventionellen vorderen Dreieckes des Diamantrahmens
eine „Y"-Lösung gewählt wird. Dieser „Y"-förmige
Teilfahrradrahmen ist aus Faserverbundmaterial gefertigt.
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Aus
dem Stand der Technik wie etwa der
US 2005/0006872 A1 ist
auch das Verbinden von metallischen Rohren und Streben mit Faserverbundrohren und
-streben bekannt. Diesbezüglich ist aus der
US 5,364,115 das Verbinden von metallischen
Ausfallenden mit Faserverbundsattel- und Kettenstreben bekannt.
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Die
im Stand der Technik verwendeten und bekannten Fahrradrahmen haben
jedoch den Nachteil, dass sie aus vielen Einzelteilen bestehen,
was zu einem geringen Automatisierungsgrad führt. Die vielen
Einzelteile des Fahrradrahmens müssen durch aufwendige
Handarbeit zusammen verbaut werden. Dies bedingt oftmals eine Fertigung
in Niedriglohnländern.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fahrrad mit
einem Fahrradrahmen und ein Verfahren zum Herstellen eines Fahrrades mit
einem Fahrradrahmen der Allgemeinheit zur Verfügung zu
stellen, wobei der Fahrradrahmen schneller und einfacher, bei Einsatz
geringerer monetärer Mittel erreicht werden kann, und auch
ein geringeres Gewicht bei höherer Steifigkeit erzielt
werden soll.
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Eine
gattungsgemäße Lösung wird entsprechend
dem Gegenstand der Ansprüche 1 und 11 erreicht. Die Lösung
für die Vorrichtung besteht darin, dass nur eine einzige
Sattelstrebe und nur eine einzige Kettenstrebe vorhanden ist. Die
gattungsgemäße Lösung für das
Verfahren besteht darin, dass das Oberrohr eine Sattelstrebe umfasst
und das Unterrohr eine Kettenstrebe umfasst, wobei die Rohre und/oder
Streben aus einer Preform gefertigt werden.
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Durch
das Vorsehen nur einer einzigen Sattelstrebe und nur einer einzigen
Kettenstrebe, ist es möglich, auf eine Kettenstrebe und
eine Sattelstrebe zu verzichten.
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Dies
führt zu einer Reduktion der Bauteile. Dadurch werden Kosten
eingespart und der Fahrradrahmen wird leichter. Letztendlich wird
das Fahrrad in Gänze leichter. Die Steifigkeit wird durch
ein dem Spannungsverlauf im Fahrradrahmen entsprechendes Gestalten
der einzelnen Rohre und Streben zu konventionellen Rahmen vergleichbar
steif oder sogar steifer ausgestaltet.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen werden in den Unteransprüchen beansprucht.
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So
ist es z. B. von Vorteil, wenn das Oberrohr und die Sattelstrebe
aus einem gemeinsamen Bauteil bestehen. Das Oberrohr wird bei der
Herstellung durch ein Wickelverfahren erreicht, wodurch die Möglichkeit
besteht nach dem Beenden des Oberrohrwickelns nahtlos mit dem Sattelstrebenwickeln fortzufahren.
Allerdings ist es in einer Variante noch ökonomischer Flechtverfahren,
insbesondere für das Oberrohr und zumindest eine der Sattelstreben
zu wählen.
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Wenn
das Unterrohr und die Kettenstrebe aus einem gemeinsamen Bauteil
bestehen, so wird es möglich, das Unterrohr und die Sattelstrebe
durchgängig aus einem Bauteil zu fertigen. Dies führt
erneut, wie schon beim Oberrohr, zu einer Reduktion der Bauteile.
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Um
das Oberrohr mit dem Unterrohr fest zu verbinden, ist es von Vorteil,
wenn das Sattelrohr und das Steuerrohr das Oberrohr mit dem Unterrohr
verbinden. Durch die Verwendung von lediglich vier Bauteilen, wobei
zwei Bauteile die anderen zwei Bauteile, nämlich Steuerrohr
und Sattelrohr das Unterrohr und Oberrohr miteinander verbinden,
müssen lediglich vier steife Verbindungen geschaffen werden.
Dies erleichtert den Fertigungsprozess, kürzt ihn ab und
ermöglicht das Vorhalten von unterschiedlich langen und
dicken Rohren und Streben, um unterschiedliche Fahrradrahmengrößen
automatisiert herstellen zu können.
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Wenn
das Sattelrohr in das Steuerrohr in jeweils eine Ausnehmung in sowohl
dem Oberrohr als auch dem Unterrohr eingreift, so können
herkömmliche Wickeltechniken verwendet werden, oder Prepregmatten
zur Verbindung eingesetzt werden, wobei noch höhere Steifigkeits-
und Festigkeitswerte für den Fahrradrahmen erreichbar sind,
als bei herkömmlichen Diamantfahrradrahmen.
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Um
ein Hinterrad befestigen zu können, ist es von besonderem
Vorteil, wenn an einem dem Steuerrohr fernen Ende der Sattelstrebe
oder Kettenstrebe angebrachten Ausfallende eine Achse eines Hinterrades
befestigt ist.
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Wenn
die Rohre und/oder Streben Faserverbundmaterial, insbesondere Kohlefasern,
Glasfasern, Aramidfasern, Hanffasern, Flachsfasern und/oder Sisalfasern
umfassen, so sind die Rohre und/oder Streben besonders leicht bezüglich
ihres Gewichtes ausgestaltbar. Dem Spannungsverlauf kann durch entsprechendes
Anordnen der Faser Rechnung getragen werden.
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Um
eine gute Haltbarkeit des Fahrradrahmens zu erreichen, ist es von
Vorteil, wenn die Rohre und/oder Streben eine Matrix aus Duroplast
oder Thermoplast aufweisen.
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Wenn
die Rohre und/oder Streben als Preform hergestellt sind und vorzugsweise
mit Harz infiltriert oder injiziert sind, so lässt sich
ein Zusammenbau der einzelnen Elemente besonders schnell und einfach
realisieren.
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Besonders
steife und langlebige Fahrradrahmen lassen sich dann erreichen,
wenn Öffnungen und hochbelastete Stellen in den Rohren
und/oder Streben verstärkt sind oder durch Gestricke mit
zusätzlichen Verstärkungsfaserlagen verstärkt
sind.
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Die
Erfindung wird auch durch ein gattungsgemäßes
Verfahren realisiert, bei dem das Oberrohr eine Sattelstrebe umfasst
und das Unterrohr eine Kettenstrebe umfasst, wobei die Rohre und/oder Streben
aus einer Preform gefertigt werden.
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Besonders
vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens werden in
den Unteransprüchen beansprucht.
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Wenn
das Oberrohr und das Unterrohr so ausgeformt werden, dass sie jeweils
eine Aussparung aufweisen, in die das Steuerrohr eingesetzt wird,
und dass sie jeweils eine weitere Aussparung aufweisen, in die das
Sattelrohr eingesetzt wird, so lassen sich das kombinierte Oberrohr-Sattelstrebenbauteil
besonders schnell und einfach mit dem Unterrohr-Kettenstrebenbauteil
verbinden. Es gibt auch eine Variante mit an dem Unterrohr angesetzten
Sattelrohr und an dem Steuerrrohr angesetzten Ober- und Unterrohr.
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Besonders
haltbar wird der Fahrradrahmen dann ausgestaltet, wenn das Steuer-Sattelrohr
durch das Ober- und Unterrohr hindurchragend eingesetzt wird.
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Wenn
die Rohre und/oder die Streben gewickelt und/oder geflochten werden,
so lässt sich eine gute Vorratshaltung für unterschiedlich
große Fahrradrahmen bewerkstelligen.
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Besonders
steif lässt sich ein Fahrradrahmen eines Fahrrades dann
realisieren, wenn die Rohre und/oder die Streben dadurch entstehen,
dass gleichzeitig drei Faserrichtungen in einer Flechtlage hergestellt
werden oder die Rohre und/oder die Streben aus unterschiedlichen
Flechtlagen hergestellt werden.
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Wenn
Ausfallenden und/oder ein Tretlager schon bei oder nach der Preform-Herstellung
in die Rohre und/oder Streben eingefügt werden, so lassen sich
die Fertigungszeiten weiter verkürzen.
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Besonders
vorteilhaft ist es auch, wenn die Ausfallenden und/oder das Tretlager
mit in eine Injektionsform oder Infiltrationsform gelegt werden
und durch Aushärtung einer Matrix mit dem Rahmen verbunden
werden.
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Wenn
die Ausfallenden und/oder das Tretlager erst nach der Injektion
oder Infiltration mit den Rohren und/oder Streben verbunden werden,
so lässt sich die Taktung des Herstellverfahrens besonders
gut einteilen. In einer Variante wird das Sattelrohr auf oder an
das Unterrohr gesetzt und verklebt oder mit Verstärkungsfasern
verbunden. Ferner kann das Steuerrohr so ausgebildet werden, dass
das Ober- und/oder Unterrohr an das Steuerrohr angesetzt werden
kann. Dabei gibt es Rohrstummel, um die Rohre zu verkleben, oder
die Rohre werden durch zusätzliche Verstärkungsfasern
verbunden.
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Die
Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 einen
Fahrradrahmen ohne Anbauteile in perspektivischer Ansicht von oben
und hinten, und
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2 eine
Seitenansicht des Fahrradrahmens aus 1 mit eingesetztem
Hinterrad und einer eingesetzten Tretkurbel, sowie einem Kettenblatt mit
Antriebskette.
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1 zeigt
einen Fahrradrahmen 1 mit einem Steuerrohr 2,
einem Oberrohr 3 einem Unterrohr 4, einem Sattelrohr 5,
einer Sattelstrebe 6 und einer Kettenstrebe 7.
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Das
Steuerrohr 2 verbindet das vordere Ende des Oberrohres 3 mit
dem Unterrohr 4. Das Steuerrohr 2 ragt sowohl
durch das Oberrohr 3, als auch durch das Unterrohr 4 hindurch.
Das Sattelrohr 5 ragt am anderen Ende vom Steuerrohr 2 aus
gesehen, ebenfalls sowohl durch das Oberrohr 3, als auch durch
das Unterrohr 4 hindurch. Im unteren Bereich des Sattelrohres 5,
also im Verbindungsbereich mit dem Unterrohr 4 ist ein
Tretlager 8 eingebracht. Das Steuerrohr 2 ragt
durch das Unterrohr 4 nach unten hindurch. Durch das Steuerrohr 2 wird
bei dem weiter aufgebauten Fahrrad ein Gabelschaft einer Gabel eingesetzt.
Am Ende der Gabel wird das Vorderrad befestigt. Das Tretlager 8 nimmt
eine Achse auf, nämlich eine Tretlagerachse, an der die
Tretkurbeln angreifen. Die Tretlagerachse steht auch in Verbindung
mit einem Kettenblatt.
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Das
Oberrohr 3 geht in die Sattelstrebe 6 über.
Das Unterrohr 4 geht in die Kettenstrebe 7 über. Die
Sattelstrebe 6 weist eine Biegung nach links auf, wobei
die Biegung auch als scharfer Knick ausgeformt sein kann. Die Kettenstrebe 7 weist
eine Biegung nach rechts auf, wobei die Biegung ebenfalls als Knick
ausgeformt sein kann.
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An
den Enden der Sattelstrebe 6 und der Kettenstrebe 7 ist
jeweils ein Ausfallende 9 angebracht.
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Während
Fahrradrahmen für Großserien bisher nur aus Stahl
oder Aluminiumrohren hergestellt werden, wird der Fahrradrahmen 1 durch
Faserverbund-Werkstoffe hergestellt. Das bisher übliche Schweißen
erübrigt sich daher. Beim Schweißen auftretende
Spannungen werden vermieden. Die Haltbarkeit des Rahmens steigt
an. Während Faserverbund-Fahrradrahmen derzeit jedoch nur
in relativ kleinen Stückzahlen in aufwendiger Handarbeit
hergestellt werden und deshalb nur als besonders hochwertige Sportgeräte
Anwendung finden, wird hier die Nutzung des Prepreg- oder Handlaminierverfahren durch
ein automatisiertes Herstellungsverfahren überholt.
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Ein
Faserverbund-Fahrradrahmen 1 konnte mit bisher bekannten
Herstellungsverfahren und Rahmenkonzepten nicht in großer
Stückzahl hergestellt werden, wie dies für vergleichbare
Stahl- oder Aluminiumrahmen erfolgt. Die Erfindung stellt einen neuen
Weg dafür dar.
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Der
Fahrradrahmen 1 besteht aus nur 4 Einzelteilen,
nämlich dem Steuerrohr 2, dem gemeinsamen Bauteil
aus Oberrohr 3 und Sattelstrebe 6, dem gemeinsamen
Bauteil aus Unterrohr 4 und Kettenstrebe 7, sowie
dem Sattelrohr. Eine rechte Sattelstrebe oder eine linke Kettenstrebe
ist hierbei unnötig. Trotzdem sind herkömmliche
Befestigungsarten für Sattelstützen und Sattel
möglich. Dabei wird die Sattelstütze in das Sattelrohr 5 einschiebbar
und über herkömmliche Klemmlösungen befestigbar.
Die vier Hauptbestandteile des Fahrradrahmens 1 werden
mittels Flechttechnik als Preform hergestellt. Dabei bieten sich
RTM-Verfahren oder ähnliche Verfahren an. Die Rohre werden
mit Harz infiltriert und zum kompletten Rahmen verbunden, z. B.
durch Kleben. Sämtliche Rohre können auch gemeinsam
als Preform in die Injektionsform gelegt und mit Harz infiltriert
werden. Eine Unterteilung in zwei oder drei Teile ist auch möglich.
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Durch
die entsprechende Geometrie des Fahrradrahmens wird das Anwenden
der Preform-Technologie, speziell das Flechten, möglich.
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Das
Herstellungsverfahren mittels Preform-Technologie und anschließender
Harzinfusion führt zu einem sehr hohen Automatisierungsgrad
und kurzen Taktzeiten. Dies führt zu geringeren Kosten pro
Rahmen und hohen Stückzahlen. Es ist somit möglich,
Faserverbundfahrräder oder auch Elektroräder,
im mittleren Preissegment anzu bieten. Die Produktion kann sogar
durch Verringerung der Handarbeit in Hochlohnländern erfolgen.
Einen positiven Einfluss auf den Verkauf der Rahmen wird das ansprechende
Design haben.
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2 wird
mit einem Hinterrad, einer Tretkurbel und einem Kettenblatt im Bereich
des Tretlagers 8 dargestellt. Die einzelnen Rohre und Sattelstreben,
also das Steuerrohr 2, das Oberrohr 3, das Unterrohr 4,
das Sattelrohr 5, die Sattelstrebe 6 und die Kettenstrebe 7,
sind in verbundenem Zustand dargestellt. Die einzelnen Rohre und
Streben sind entweder miteinander verklebt oder unter Nutzung zusätzlicher
Verstärkungslagen verbunden.
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Bei
der Herstellung werden als erstes die einzelnen Oberrohr-Sattelstrebenkombinate
und Unterrohr-Kettenstrebenkombinate hergestellt. Dabei wird auf
die Verwendung von Rovings zurückgegriffen. Sie werden
zu den entsprechenden Rohren/Streben ausgeformt. Dabei hat sich
eine Flechttechnik als besonders vorteilhaft herausgestellt.
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Auch
unterschiedlich lange und dicke Steuerrohre 2 und Sattelrohre 5 werden
so hergestellt. Das Steuerrohr 2 und das Sattelrohr 5 wird
in entsprechende Aussparungen im Unterrohr 4 und Oberrohr 3 eingesetzt.
Die Verbindungsstellen werden dann entweder umwickelt, umflochten
oder mit Prepregs verbunden. Ausfallenden und Tretlager werden schon
während der Preformherstellung in die Rohre integriert,
können aber auch nach der Preformfertigung oder erst nach
der Aushärtung der Rahmenrohre eingesetzt werden. Der gesamte
Rahmen wird dann unter Zuführung von Wärme ausgehärtet.
Vorher werden auch noch die Ausfallenden 9 und das Tretlager 8 mit
dem Fahrradrahmen 1 verbunden. Es gibt noch die Variante,
in der die Elemente entweder verklebt oder mit zusätzlichen
Verstärkungsfasern verbunden werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 69213007
T2 [0008]
- - US 6270104 B1 [0008]
- - DE 10340339 A1 [0009, 0009]
- - US 2007/0063383 A1 [0010]
- - US 6340509 B1 [0011]
- - US 6109638 [0012]
- - US 2005/0006872 A1 [0013]
- - US 5364115 [0013]