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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Radnabe aus zumindest einem Schlauch aus mehreren, in einem Matrixmaterial eingebetteten und einlagig angeordneten Verstärkungsfasern, wobei der Schlauch auf seiner Innenseite einen wenigstens abschnittsweise hohlzylindrisch ausgeformten Durchgangsbereich aufweist, der sich von einem Ende der Nabe zu einem diesem gegenüberliegenden Ende der Nabe entlang ihrer Längsachse erstreckt.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits Flanschbauteile bekannt, die aus geflochtenen Schläuchen aufgebaut sind. Dabei sind die geflochtenen Schläuche aus Verstärkungsfasern aufgebaut, wie etwa Kohlenstofffasern. Ein solches Flanschbauteil ist etwa aus der
EP 1859958 A1 bekannt. Dort wird ein Flanschbauteil in Verbundbauweise mit einem im Wesentlichen zylindrischen ersten Bereich und einem im Wesentlichen flanschförmigen zweiten Bereich, insbesondere ein Radflansch für ein Kraftfahrzeug offenbart, wobei dieses dadurch gekennzeichnet ist, dass wenigstens eine Komponente des Flanschbauteils ihrerseits ein Verbundwerkstoff ist. Um die notwendige Festigkeit für den Radflansch zu erreichen, lehrt die
EP 1859958 A1 , einen Kern, bspw. aus Aluminium, zu verwenden. Über diesen Kern wird dann der Verbundwerkstoffschlauch gezogen und bildet einen flanschförmigen Bereich aus, der radial von einem im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt absteht. Gerade im Übergangsbereich zwischen dem radial abstehenden Flansch und dem sich um die Längsachse der Radnabe erstreckenden zylindrischen Abschnitt, bedarf die in dem Stand der Technik gelehrte Radnabe jedoch einer besonders feinfühligen Auslegung. So muss der Kern im Übergangsbereich einen radial abstehenden Abschnitt aufweisen, um die notwendige Festigkeit des Gesamtkonstrukts überhaupt gewährleisten zu können.
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Solche Radnaben finden insbesondere bei mit Muskelkraft angetriebenen Fahrzeugen, wie etwa Fahrrädern, vermehrt Verwendung. Gerade Radnaben für Fahrräder, also solche Radnaben, die in den Laufrädern von Fahrrädern Verwendung finden, müssen besonders hohen Anforderungen standhalten. Solche Radnaben müssen besonders verwindungssteif und robust sein, um für einen Einsatz auch im Rennbereich, wie etwa bei Rennradrennen, Mountainbikerennen oder Triathlonrennen, geeignet zu sein.
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Es sind zwar zahlreiche Radnaben bekannt, die ausreichend steif sind, doch weisen diese dann in der Regel den Nachteil auf, besonders schwer zu sein. So wird von solchen Radnaben häufig auf metallische Werkstoffe, wie Aluminium, Titan oder gar Stahl, zurückgegriffen.
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Bei sportlichen Wettkämpfen und im Bereich besonders hochwertiger Radnaben, ist jedoch eine Gewichtsreduktion unter Vermeidung einer Steifigkeitsabnahme gewünscht. Hier bietet der Einsatz von Faserverbundwerkstoffen große Vorteile.
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Ähnliches ist im Kraftfahrzeugbereich auch unter Verwendung eines textilen Strumpfes, etwa aus der
DE 19625797 B4 für komplette Räder bekannt. Allerdings ist nicht ein komplettes Rad von Interesse bei der derzeitigen Erfindung, sondern lediglich eine Radnabe, um mit herkömmlichen Speichen oder über ebenfalls aus Faserverbundwerkstoff gefertigten Speichen eine Verbindung zu einer Felge herstellen zu können. Auf diese Weise wird nämlich die Radnabe vielseitig einsetzbar.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Radnaben zur Verfügung zu stellen, die besonders leicht und steif sind, aber zugleich auch besonders effizient, d. h. in diesem Fall kostengünstig und schnell fertigbar sind.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Schlauch an den beiden Enden der Nabe, je einen radialen Flansch bildend, umgeschlagen ist, so dass die Verstärkungsfasern des zumindest einen Schlauches dort mehrlagig angeordnet sind.
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Bei einer solchen erfindungsgemäßen Ausbildung lässt sich durch die Radnabe später ein Schnellspanner komplett hindurch schieben. Der Schnellspanner ist dann im Bereich des Durchgangsbereiches befindlich, wobei im Bereich der beiden Flansche, innen an der Nabe anliegende Lager angeordnet sind. Gegenüber einer Innenschale des Lagers ist dann die Nabe verschleißfrei bewegbar. Die Innenschale der Lager kann unter Zuhilfenahme des Schnellspanners dann an Ausfallenden eines Fahrradrahmens oder an Gabelenden eines Fahrradrahmens derart befestigt werden, dass zwei Laufräder relativ zum Fahrradrahmen rotierbar an diesem angebracht sind.
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Der radiale Flansch wird auch als radialer Flanschbereich bezeichnet.
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Die Erfindung betrifft auch Fahrradlaufräder mit den erfindungsgemäßen Radnaben und auch Fahrräder, in welchen Laufräder mit erfindungsgemäßen Radnaben eingesetzt werden.
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Die Erfindung betrifft ferner auch ein Verfahren zum Herstellen einer Radnabe.
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Auch hier soll ein besonders wirtschaftliches Verfahren zum Einsatz kommen, das dann eine besonders steife und leichte Radnabe erzeugt.
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Ein solches Verfahren zum Herstellen einer Radnabe ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Verstärkungsfasern umfassender Schlauch in eine Ausnehmung einer zweigeteilten Form eingelegt wird, so dass der Schlauch mit seiner Außenseite im Bereich der Ausnehmung an der Form anliegt und einen wenigstens abschnittsweise hohlzylindrisch ausgeformten Durchgangsbereich definiert, wobei der Schlauch beidseitig aus der Form heraussteht und in einem Flanschausbildungsschritt im Bereich eines radialen Flansches umgeschlagen wird, so dass die Verstärkungsfasern des zumindest einen Schlauches mehrlagig übereinander angeordnet sind.
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Zwar ist aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt, Verstärkungsfasern im Fahrradbereich zu verwenden, es wird etwa auf die
DE 10228052 A1 , die
EP 0307112 B1 , die
EP 0285106 B1 und die
EP 0525253 A1 verwiesen, doch derartig leichte, steife und kostengünstig herstellbare Radnaben sind bisher nicht bekannt.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
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So ist es von Vorteil, wenn die Verstärkungsfasern nach innen in Richtung des Durchgangsbereiches umgeschlagen sind. Auf diese Weise lässt sich das Herstellverfahren derart vereinfachen, dass die aus der Ausnehmung der Form herausstehenden Verstärkungsfasern einfach nach innen umgeschlagen und wieder hineingestopft werden. Es sind keine aufwändigen Führungsvorrichtungen für die umgeschlagenen Verstärkungsfasern nötig, vielmehr ist es möglich, mit einem Stopfmechanismus, in der einfachsten Form einem Finger, und einer Schablone die Fasern umzulegen.
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Da im Flanschbereich Speichen angreifen sollen, um die Radialkräfte von der Nabe auf die Felge zu übertragen, ist es von Vorteil, wenn die Verstärkungsfasern einen Ring allseitig umgeben, der sich um eine Längsachse des Durchgangsbereichs herum im Flansch erstreckt. Der Ring selber kann dann zur Befestigung der Speichen dienen. Die auf die Nabe übertragbaren Kräfte sind dann besonders groß.
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Wenn der Ring einen geschlossenen Querschnitt aufweist, so wird die Verbindungssteifigkeit der Nabe und des seinerseits verstärkend wirkenden Ringes weiter erhöht.
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Da es sich gezeigt hat, dass die auf den Ring wirkenden Kräfte punktuell sehr groß werden können, ist es von Vorteil, wenn der Ring zweiteilig aufgebaut ist, vorzugsweise derart, dass ein erster Metallring konzentrisch und innerhalb von einem Verbundwerkstoffring angeordnet ist.
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Wenn dabei noch zusätzlich die im Verbundwerkstoffring vorhandenen Fasern konzentrisch um den inneren Metallring herum angeordnet sind, können selbst sehr große Punktlasten kompensiert werden.
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Zur Befestigung von Speichen an der Nabe, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn im Flanschbereich, parallel zur Längsachse des Durchgangsbereiches, mehrere Durchgangslöcher durch die Lagen der Verstärkungsfasern des Schlauchs und den Metallring hindurchragend ausgebildet sind. So kann eine Speiche einfach durch das Durchgangsloch geschoben werden und in einem Nippel felgenseitig eingeschraubt werden. Ein Herausfallen der unter Spannung gesetzten Speiche wird durch eine Verdickung am Ende der Speiche verhindert, die eine größere Dicke aufweist, als der Durchmesser des Durchgangsloches.
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Es ist ferner von Vorteil, wenn die Innenseite des Flansches eine Lageraufnahmefläche ausbildet, die eine hohle zylindrische Innenkontur aufweist, oder eine s-förmige Lageradapteraufnahmefläche aufweist, in die ein metallischer Lageradapter eingesetzt ist, der eine hohle zylindrische Innenkontur zur Ausformung einer Lageraufnahmefläche aufweist. In der ersten Alternative ist eine besonders leichte Nabe ausfertigbar, wohingegen in der zweiten Alternative eine besonders robuste Radnabe produzierbar ist, die selbst für schwerere Fahrer noch ausreichend Sicherheiten aufweist. Durch die s-förmige Lageradapteraufnahmefläche wird eine formschlüssige Verbindung mit einem etwa aus Stahl oder Aluminium gefertigten Lageradapter möglich.
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Es hat sich auch als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Verstärkungsfasern aus der Gruppe der anorganischen Fasern, wie Glasfasern, oder Keramikfasern, der metallischen Fasern, wie Stahlfasern, oder der organischen Fasern, wie Kohlenstofffasern, Aramidfasern oder Polyesterfasern entnommen sind und/oder das Matrixmaterial als ein Harz, wie ein Thermoplastharz oder ein Duroplastharz ausgebildet ist.
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Wenn der Schlauch als Gewebe, Flies, Geflecht oder Gestrick ausgebildet ist, so lässt sich auf leicht zu lagernde Vorprodukte zurückgreifen, was letztendlich zu einer Kostenreduktion der Radnabe führt. Aber auch die Qualität der Radnabe wird erhöht, da ein störungsanfälliges vor Ort Verarbeiten einzelner Fasern unnötig wird.
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Im Gegensatz zu der Verwendung eines einzelnen Schlauches ist es von Vorteil, mehrere ineinander gesteckte Schläuche, etwa drei oder vier Schläuche, zu verwenden, um die Steifigkeit der Radnabe bei nur geringer Gewichtszunahme zu erhöhen.
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Die Erfindung wird auch nachfolgend mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen Abschnitt einer Radnabe im hälftig aufgeschnittenen Zustand in perspektivischer Darstellung,
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2 eine zweite Ausführungsform einer Radnabe, wobei nur ein Abschnitt der Radnabe im hälftig aufgeschnittenen Zustand perspektivisch dargestellt ist und
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3 eine Darstellung einer speziellen Ausführungsform eines in eine erfindungsgemäße Radnabe einsetzbaren Ringes, der aus zwei Einzelteilen unterschiedlichen Materials aufgebaut ist in teilgeschnittener, perspektiveischer Darstellung.
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Die Zeichnungen dienen lediglich zur Erläuterung der Erfindung und sind nur schematischer Natur. Für die gleichen Elemente werden dieselben Bezugszeichen verwendet.
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In 1 ist eine Hälfte einer ersten Ausführungsform einer Radnabe 1 dargestellt. Grundsätzlich weist die Radnabe 1 zwei endseitig der Radnabe 1 angeordnete Flanschbereiche 2 auf. In der 1 ist lediglich der eine Flanschbereich 2 dargestellt. Allerdings ist sowohl die Radnabe 1, als auch der Flanschbereich 2 in einer geschnittenen Form dargestellt.
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Die Radnabe 1 ist grundsätzlich aus einem Schlauch 3 aufgebaut. Der Schlauch 3 weist einzelne Verstärkungsfasern 4 auf, die miteinander verflochten sind. In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform, sind mehrere Schläuche 3 ineinander gesteckt und als Ganzes verarbeitet.
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Die Verstärkungsfasern 4 sind in einem Matrixmaterial 5 eingebettet. Dieses Matrixmaterial 5 ist ein Harz, wie ein Thermoplastharz oder ein Duroplastharz. Die Verstärkungsfasern 4 sind in der vorliegenden Ausführungsform Kohlenstofffasern. Allerdings sind auch Glasfasern, Keramikfasern, Aramidfasern oder ähnliche Fasern verwendbar.
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Zwischen den beiden Flanschbereichen 2 ist ein Tubusbereich 6 durch die Verstärkungsfasern 4 und das Matrixmaterial 5 gebildet. Der Tubusbereich 6 ist einstückig mit den beiden Flanschbereichen 2 durch die Verstärkungsfasern 4 und das Matrixmaterial 5 verbunden.
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Allerdings ist in den beiden Flanschbereichen 2 je ein verstärkend wirkender Ring 7 eingebettet.
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Die Radnabe 1 weist eine Symmetrieachse auf, die in 1 mit dem Bezugszeichen 8 versehen ist. Diese Symmetrieachse ist gleichzeitig auch die Längsachse der Radnabe 1 und die Längsachse eines Durchgangsbereiches 9.
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Der Durchgangsbereich 9 erstreckt sich durch die gesamte Radnabe 1 und ist letztlich ein Hohlraum, durch den etwa ein Schnellspanner und oder eine separate Achse durchsteckbar ist. Der Durchgangsbereich 9 weist eine hohlzylindrische Innenwandung 10 auf. Diese hohlzylindrische Innenwandung 10 ist zumindest im Tubusbereich 6 vorhanden.
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Während sich der Tubusbereich 6 in Richtung der Längsachse 8 erstreckt, erstreckt sich der Flanschbereich 2 im Wesentlichen orthogonal dazu in radialer Richtung.
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Die Verstärkungsfasern sind im Flanschbereich nach innen umgeschlagen. Das heißt, sie laufen vom Tubusbereich 6 kommend auf der Außenseite des Ringes 7 um diesen herum bis zu einem Endbereich 11 des Flanschbereiches 2, dann weiter auf der Außenseite des Ringes 7, auf der dem Tubusbereich 6 abgewandten Seite, auf die Längsachse 8 zu, um dann wieder in Richtung des Tubusbereiches 6 zu verlaufen. Sie bilden dabei einen Teil der hohlzylindrischen Innenwandung 10. Abhängig von der gewünschten Auslegung ist es möglich, dass sich die Enden der Verstärkungsfasern 4 bis ca. in die Mitte des Tubusbereiches 6 oder darüber hinaus erstrecken, oder lediglich in einem Übergangsbereich 12 zwischen dem Flanschbereich 2 und dem Tubusbereich 6 zum Liegen kommen.
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Der Durchgangsbereich 9 ist stufig ausformbar, derart, dass hohlzylindrische Abschnitte an Stufen 13 aneinander grenzen. Die an den Endbereich 11 der Flanschbereiche 2 angrenzenden hohlzylindrische Abschnitte dienen als Lageraufnahmeflächen.
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Um Speichen eines Laufrades, wie eines Fahrradlaufrades an der Radnabe 1 befestigen zu können, ist es von Vorteil, wenn durch den Flanschbereich 2 Durchgangslöcher 14 ragen. Solche Durchgangslöcher 14 sind in der 1 nicht dargestellt, wohl aber in 2. Die Übertragbarkeit von solchen Durchgangslöchern 14 von dem Ausführungsbeispiel in 2 zu dem Ausführungsbeispiel in 1 liegt auf der Hand.
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Der Ring 7 ist als Scheibe mit zentraler Öffnung, die konzentrisch zur Längsachse 8 angeordnet ist und einen kreisrunden Öffnungsquerschnitt aufweist. Auch die Außenkontur des Ringes weist eine kreisrunde Form auf und ist ebenfalls konzentrisch zur Längsachse 8 ausgerichtet.
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Der Ring 7 mit einem geschlossenen Querschnitt kann entweder mit einer spanenden Herstellung, z. B. bohrend, hergestellt werden oder aber spanlos bspw. mit urformenden Verfahren.
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Die in den Flanschbereich 2 einzubringenden Durchgangslöcher 14, die sich dann auch durch den Ring 7 erstrecken, können nachträglich eingebracht werden, etwa mittels Bohrtechniken, Frästechniken oder Drehtechniken. Auch ist es möglich, vor Aushärten des Matrixmaterials 5 mit einem Dorn die Verstärkungsfasern 4 so beiseite zu drücken, dass diese beim Herstellen der Durchgangslöcher 14 nicht beschädigt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform, werden jedoch die im Flanschbereich vorhandenen Verstärkungsfasern 4 und der Ring 7 mit den Durchgangslöchern 14 perforiert.
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Während in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 der von den umgeschlagenen Verstärkungsfasern 4 komplett umgebene Ring 7 noch nicht perforiert ist, sind die äquidistant zueinander vorhandenen Durchgangslöcher 14 in dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 dargestellt. Als weiterer Unterschied zwischen den beiden Ausführungsbeispielen ist in 2 auch ein Lageradapter 15 vorgesehen, der auf der Innenseite 2 über eine Stufe 16 getrennte hohlzylindrische Flächen 17 aufweist dargestellt. Die Außenkontur des Lageradapters 15 ist annäherungsweise s-förmig. Die geschwungene oder bogenförmige Außenkontur, welche die Außenfläche 18 des Lageradapters 15 bestimmt, ist gegengleich zu einer Innenkontur im Übergangsbereich 12 des durch die Verstärkungsfasern 4 und das Matrixmaterial 5 gebildeten Verbundmaterials.
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In den Lageradapter 15 oder in die im Flanschbereich 2 vorhandene hohlzylindrische Innenkontur wird ein Außenring eines Lagers eingepresst, wobei das Lager als Wälzlager ausbildbar ist. Herkömmliche Rollen-, Kugel- oder Nadellager bieten sich dabei an.
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Als weitere Variante zu den beiden Ausführungsbeispielen, ist der Ring 7 zweiteilig ausgestaltbar, in der Art, dass radial außenseitig eines inneren Metallrings 19 ein durch konzentrisch angeordnete Verstärkungsfasern 14 bestimmter Verbundwerkstoffrings 20, die in die Radnabe 1 über die nicht dargestellten Speichen einleitbaren Kräfte besonders hoch sein können. Diese Variante ist in 3 dargestellt. Die Verstärkungsfasern 14, die hier Kohlefasern sind, sind außerhalb des Metallrings 19 befindlich, tangential angeordnet und bilden eine dichte Packung.
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Zwischen den einzelnen Verstärkungsfasern 14 ist Matrixmaterial 5, wie Harz, vorhanden. Einzelne Verstärkungsfasern 14 liegen auch sichtbar an der Oberfläche des Verbundwerkstoffrings 20.
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Der Metallring 19 ist fest mit dem Verbundwerkstoffring 20 verbunden. Hier bieten sich Klebe- und Laminiertechniken an. So ist beispielsweise der Metallring 19 im Bereich einer Anlagefläche 21, wo die beiden Ringe 19 und 20 aneinandergrenzen, mit dem Verbundwerkstoffring 20 verklebt.
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Es ist alternativ oder zusätzlich möglich, dass diese beiden Ringe 19 und 20 nur durch Adhäsionskräfte oder Presspassungskräfte miteinander positionstreu verbunden sind.
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Die im Metallring 19 vorhandenen Durchgangslöcher 14 sind auf der Oberseite und Unterseite der Metallrings 19 angefast ausgestaltet. Es ist aber oft von Vorteil die Durchgangslöcher 14 nicht angefast auszugestalten. Die Durchgangslöcher 14 sind ferner nicht mittig im Mettallring 19 angeordnet, sondern etwas außermittig, zum Verbundwerkstoffring hin versetzt positioniert. Auf diese Weise stellt sich ein optimierter Kraftverlauf ein.
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Ein optimales Gewichts-/Dauerlastbeständigkeitsverhältnis ergibt sich, wenn der Verbundwerkstoffring 20 eine radiale Erstreckung aufweist, die ca. 30% der radialen Erstreckung des Metallrings 19 beträgt.
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Nachfolgend wird das Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Radnabe 1 näher erläutert.
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Eine Form, die zwei symmetrische Hälften aufweist und mit dazwischen und daran befindlichen Dichtungen abdichtbar ist, wird für die Ausbildung der Radnabe vorbereitet. Die Form weist eine Ausnehmung auf. Diese Ausnehmung, die durch die zusammengesetzte Form reicht, ergibt die letztendliche Außenkontur der Radnabe 1 vor. Im späteren Tubusbereich 6 kann spiegelverkehrt in der Ausnehmung ein Schriftzug ausgenommen sein.
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Die Form wird zusammengesetzt und beispielsweise über herkömmliche Schraubverbindungen unter Spannung gebracht, so dass der zwischen den beiden Formhälften befindliche Spalt geschlossen wird und dadurch fluiddicht ist.
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Ein Schlauch 3 aus Verstärkungsfasern 4 wird vorbereitet, um in die Ausnehmung eingelegt zu werden. Bei einer besonderen Ausführungsform werden mehrere Schläuche ineinander gesteckt und/oder die Enden der gewebeartig zusammenhängenden Verstärkungsfasern 4 aufgeweitet. Der Schlauch 3 steht dabei vorzugsweise beidseitig aus der Ausnehmung der Form heraus, selbst nachdem er in die Ausnehmung der zusammengesetzten Form eingesetzt wurde. Die aus der Form herausstehenden Fasern werden radial weiter aufgeweitet und der Ring 7 ins Innere des Schlauches 3 eingelegt.
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Die nun radial außerhalb des Ringes 7 befindlichen Enden der Verstärkungsfasern werden nun nach innen, in das Innere des Schlauches 3 über den Ring 7 bewegt und mittels zweier zapfenartiger Zusatzformen in der Lage positioniert.
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Die zapfenartigen Zusatzformen weisen ein Matrixmaterialreservoir auf, welches über eine Fluidführungsverbindung mit der zwischen dem Zapfen und der Form befindlichen Hohlraum verbunden ist. Es wird nachfolgend Matrixmaterial 5 unter Druck zwischen die Zusatzform und die Form eingebracht, so dass die Verstärkungsfasern 4 komplett von dem Matrixmaterial 5 umhüllt werden.
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Anschließend wird das komplette Gebilde aus Form, Zusatzform und Radnabe 1 unter erhöhter Temperatur ausgehärtet. Dabei wird nach Art eines Backverfahrens vorgegangen.
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In einer Variante ist es möglich, vor Einsetzen der Zusatzformen die Lageradapter 15 endseitig der Radnabe einzusetzen.
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Nachdem die Radnabe ausgebacken und ausgehärtet ist, werden die Durchgangslöcher 14 durch den Flanschbereich 2, also durch den Ring 7 und die angrenzenden Verstärkungsfasern, sowie die die Verstärkungsfasern 4 umgebenen Matrixmaterialkomponenten geschaffen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1859958 A1 [0002, 0002]
- DE 19625797 B4 [0006]
- DE 10228052 A1 [0015]
- EP 0307112 B1 [0015]
- EP 0285106 B1 [0015]
- EP 0525253 A1 [0015]
