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Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft Fahrräder und Fahrrad-Kurbelarme. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung zusammengesetzte Fahrrad-Kurbelarm-Einheiten bzw. -Baugruppen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein Kurbelarm ist eine Komponente für die Verbindung eines Pedals mit einer Fahrradkurbelachse und zur Übertragung einer Pedalkraft von einem Pedal zu einer Kette. Der Kurbelarm sollte eine hohe Belastbarkeit aufweisen, um Versagen aufgrund von wiederholten Belastungen von dem Pedal zu verhindern. Auf der anderen Seite sollte der Kurbelarm nicht unnötig schwer sein, um das Fahrrad so leicht wie möglich zu halten. Verbundwerkstoffe, gemeinhin bekannt als Faserverbundwerkstoff „FRP”, wie z. B. Kohle- oder andere Faserverbundwerkstoffe, sind in dieser Hinsicht vorteilhaft, da sie eine belastbare und leichte Konstruktion für die Herstellung moderner Kurbelarme bereitstellen. Allerdings ist eine Verbundkonstruktion normalerweise teuer.
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Die Erfindung sieht in einem Aspekt einen Hybrid-Kurbelarm vor, der ein durchgehendes Stützelement und eine zusammengesetzte Umhüllung verwendet, um ausreichende Festigkeit zu erreichen. Das Stützelement ist zwischen den Enden des Kurbelarms festgesteckt und die Vertiefung oder die Vertiefungen sind mit einem Einsatz mit relativ geringer Dichte gefüllt. Dieses Stützelement und diese Einsatzuntereinheit werden dann mit Verbundwerkstoff umhüllt und ausgehärtet, um eine strukturell festhaftende Einheit zu bilden.
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Ein Aspekt der Erfindung ist ein Fahrrad-Kurbelarm mit einem Stützelement. Das Stützelement umfasst ein erstes Ende, das derart bemessen und geformt ist, um ein Pedal aufzunehmen, und ein zweites Ende entgegengesetzt zu dem ersten Ende. Das zweite Ende ist derart bemessen und geformt, um eine Achse aufzunehmen. Ein mittlerer Abschnitt erstreckt sich zwischen dem ersten und zweiten Ende, wobei der mittlere Abschnitt mindestens eine Aussparung umfasst. Ein Einsatz ist in der Aussparung und einer Außenhülle angeordnet, die das Stützelement und den Einsatz bedeckt, wobei die Außenhülle aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt ist, wie beispielsweise faserverstärktem Kunststoff.
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Andere Aspekte der Erfindung sehen einen Fahrrad-Kurbelarm vor, wobei das Stützelement eine einteilige Konstruktion ist. Der mittlere Abschnitt kann einen ersten Flansch umfassen und einen zweiten Flansch, der vom ersten Flansch beabstandet ist, und einen Verbindungsabschnitt, der sich zwischen dem ersten und zweiten Flansch erstreckt. Der Verbindungsabschnitt kann zwischen einer Innenseite des Kurbelarmes und einer Außenseite des Kurbelarmes angeordnet sein. Der Verbindungsabschnitt kann etwa gleichermaßen zwischen der Innenseite des Kurbelarmes und der Außenseite des Kurbelarmes angeordnet sein. Der Verbindungsabschnitt kann näher an einer Außenseite des Kurbelarmes als an einer Innenseite des Kurbelarmes angeordnet sein. Die Außenhülle kann an der Außenseite des Kurbelarmes dünner sein. Die Außenhülle kann am ersten und zweiten Ende dünner sein als zwischen dem ersten und zweiten Ende. Das Stützelement kann aus Metall bestehen. Das Stützelement kann einen Aluminiumwerkstoff umfassen. Das Stützelement kann einen nicht-metallischen Werkstoff umfassen. Der Einsatz kann eine geringere Dichte als das Stützelement aufweisen. Der Einsatz kann ein Volumen aufweisen, das ungefähr dem der Aussparung entspricht. Der Einsatz kann ein Volumen aufweisen, das größer als das der Aussparung ist. Der Einsatz kann aus einem polymeren Schaumstoff wie Polyurethanschaum hergestellt sein. Der Einsatz kann aus einem Wachsmaterial hergestellt sein. Der Einsatz kann eine Dichte von etwa 0,1 bis zu etwa 0,9 g/cm3 aufweisen. Der Einsatz kann eine Dichte von etwa 0,3 g/cm3 aufweisen.
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Diese und andere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgenden Beschreibungen der einen oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung zusammen mit den begleitenden Zeichnungen besser verständlich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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In den Zeichnungen:
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ist 1 eine Außenansicht eines Kurbelarms gemäß der Erfindung;
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ist 2 eine Draufsicht eines Kurbelarms gemäß der Erfindung;
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ist 3 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht von einem Teil des Kurbelarms der 1 gemäß der Ausführungsform der Erfindung;
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ist 4 eine Längsschnittansicht des Kurbelarms der 1 entlang der Linie A-A
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sind 5A–C verschiedene Ausführungsformen eines Kurbelarms durch eine querlaufende Schnittansicht entlang der Linie B-B, wie in 1 dargestellt;
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ist 6 eine querlaufende Schnittansicht des Kurbelarms der 1, die eine Ausrichtung der Schichten einer Außenhülle entlang der Linie B-B der 1 zeigt;
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ist 7 eine Teilquerschnittsansicht des distalen Endes des Kurbelarms der 1;
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ist 8 eine Längsquerschnittansicht eines Kurbelarms gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung entlang einer Linie, wie sie in 1 bei A-A gezeigt wird;
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ist 9 eine querlaufende Schnittansicht des Kurbelarms der 8 entlang der Linie C-C; und
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ist 10 eine Ausführungsform eines Kurbelarms mit einer weiteren Ausführungsform eines Einsatzes.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Ausführungsformen der Erfindung werden hier mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Darüber hinaus beziehen sich die hier verwendeten Begriffe auf Fahrradkomponenten, die konventionell an einem Fahrrad angebracht sind und auf ein Fahrrad, das sich am Standard orientiert und standardgemäß benutzt wird, sofern nicht ausdrücklich anderweitig angegeben.
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Die 1–4 und 5A zeigen einen Kurbelarm 10 nach einer Ausführungsform der Erfindung. Während der dargestellte Kurbelarm 10 eine Nicht-Antriebsseite des Kurbelarms zeigt, könnte die gleiche Konstruktion auf der Antriebsseite eines Fahrrads zum Einsatz kommen, indem man zum Beispiel eine zusätzliche und bekannte Struktur vorsieht, um einen Kettenblattträger und/oder ein Kettenblatt daran anzubringen.
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Der Kurbelarm 10 umfasst ein erstes Ende 12, das distal angeordnet ist und an dem ein Pedal befestigt werden kann, und ein zweites Ende 14, das proximal angeordnet ist, um den Kurbelarm an einer Achse oder dergleichen (nicht gezeigt) auf übliche Weise zu befestigen. In dieser Anmeldung sollte der Begriff Achse jede Art von Achse oder achsenartigem Element eines Tretlagers in Betracht ziehen, an dem die Kurbelarme angebracht werden.
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3 zeigt zwei der Hauptkomponenten des Kurbelarms 10. Der Kurbelarm 10 umfasst ein durchgehendes Stützelement 16, das ein starres, überwiegend inneres Element ist und in dem eine Vertiefung oder Aussparung ausgestaltet ist. Ein Einsatz 20, der ein Element mit verhältnismäßig geringer Dichte ist, ist innerhalb der Aussparung angeordnet. In der Ausführungsform ist die Aussparung 18 in der Innenseite 22 des Stützelements 16 des Kurbelarms 10 ausgestaltet, d. h., wobei die Innenseite die Seite des Kurbelarms ist, die dem Fahrradrahmen zugewandt ist, wenn er an der Achse angebracht wird. Die umgekehrte Konfiguration wird in dieser Erfindung auch in Erwägung gezogen, d. h., wobei die Aussparung 18 an der Außenseite 23 ausgestaltet ist.
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4, 5A–C und 10 zeigen einen Querschnitt (jeweils der Länge nach und transversal) des Kurbelarms 10 von einer Ausführungsform der Erfindung. Drei Hauptkomponenten bilden die Struktur des Kurbelarms 10. Diese Komponenten sind das Stützelement 16, der Einsatz 20 und die Außenhülle 24.
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Das Stützelement 16 weist drei Hauptabschnitte auf. Das erste Ende 12 umfasst eine Gewindeöffnung 28. Die Gewindeöffnung ist derart bemessen und geformt, um die Gewinde eines Pedals aufzunehmen (nicht gezeigt). Das zweite Ende 14, entgegengesetzt zu dem ersten Ende 12, ist derart bemessen und geformt, um eine Achse aufzunehmen (nicht gezeigt). Zum Beispiel kann das zweite Ende 14 eine Öffnung umfassen, die mit Kerbverzahnungen 32 oder dergleichen zur Sicherung des Kurbelarms 10 an der Achse versehen ist. Die genaue Konfiguration der Kerbverzahnungen 32 ist von der Konfiguration der Achse abhängig, die eine herkömmliche Komponente ist.
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Zwischen dem ersten Ende 12 und dem zweiten Ende 14 erstreckt sich ein mittlerer Abschnitt 34, der die Form einer Rippe oder eines Balkens aufweisen kann. Der mittlere Abschnitt 34 umfasst einen ersten Flansch 36 und einen zweiten Flansch 38 und einen Verbindungsabschnitt 40, der die Form einer Bahn aufweisen kann und sich zwischen dem ersten und dem zweiten Flansch erstreckt.
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Der mittlere Abschnitt 34 kann im Allgemeinen „C”-förmig sein. Der Verbindungsabschnitt 40 kann zur Außenseite 23 des Kurbelarms 10 hin ausgerichtet sein, wenn er an der Achse des Fahrrads angebracht wird, d. h., vom Fahrradrahmen abgewandt. Wenn der Verbindungsabschnitt 40 zur Außenseite des Kurbelarms 10 hinausgerichtet ist, ist die Aussparung 18 darin ausgestaltet und öffnet sich zur Innenseite 22 des mittleren Abschnitts 34. (Zustand beschreiben wie bei 25)
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Alternativ kann der Verbindungsabschnitt 40 zur Innenseite 22 des Kurbelarms hin ausgerichtet sein. Wenn der Verbindungsabschnitt 40 zur Innenseite 22 des Kurbelarms 10 hin ausgerichtet ist, ist die Aussparung darin ausgebildet und öffnet sich zur Außenseite 23 des mittleren Abschnitts 34.
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In einer weiteren Ausführungsform, gezeigt in 8 und 9, kann der Verbindungsabschnitt 40 im Allgemeinen zentral angeordnet sein, d. h., etwa gleichmäßig beabstandet zwischen der Innen- und Außenseite 22, 23 und definiert eine Innenaussparung 18A und eine Außenaussparung 18B. Jede der Innen- und Außenaussparung 18A, B kann einen jeweiligen darin angeordneten Einsatz 20A, 20B umfassen. In dieser Ausführungsform kann die Dicke der Außenhülle 24 gleich der Innenseite 22 und der Außenseite 23 des Kurbelarms 10 sein.
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Eine Reihe von Werkstoffen kann für das Stützelement 16 benutzt werden. Das Stützelement 16 kann aus einem Metallwerkstoff ausgestaltet sein und durch Verfahren wie Schmieden oder Gießen hergestellt werden. Aluminium und Legierungen davon sind eine besonders gute Wahl aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer hohen Festigkeit. In einer Ausführungsform, bei der das Stützelement zum Beispiel aus einer Aluminiumlegierung ausgestaltet wird, können das erste Ende 12 und das zweite Ende 14 und der mittlere Abschnitt 34 als ein Einzelstück, d. h., als eine einteilige Konstruktion ausgestaltet werden. Andere geeignete Werkstoffe des Stützelements 16 umfassen Stahl, Titan, Scandium, Beryllium, Magnesium und andere ähnlich geeignete Werkstoffe, Legierungen und Kombinationen davon.
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Der mittlere Abschnitt 34 des Stützelements 16 kann aus groß geschnittenem Faserverbundwerkstoff, wie BMC (Bulk Molding Compound) oder SMC (Sheet Molding Compound), hergestellt werden durch jegliches Verfahren, das für das gewünschte Material geeignet ist. In dieser Ausführungsform können das erste Ende 12 und das zweite Ende 14 separate metallische Einsätze sein, die mit dem zusammengesetzten mittleren Abschnitt 34 verbunden sind und/oder mechanisch mit ihm verzahnt sind oder sie können aus Faserverbundwerkstoff oder einem Kunstwerkstoff hergestellt sein, wie es in diesem technischen Gebiet üblich ist.
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Das Stützelement 16 kann so konzipiert sein, dass es die Belastung, die an einem typischen Kurbelarm anliegt, strukturbedingt nicht von selbst tragen kann, um das Gewicht des Stützelements zu minimieren. Das Stützelement 16 zieht weniger Verbundwerkstoffe in Betracht, die in der Außenhülle 24 Anwendung finden, im Vergleich zu einer eher traditionell zusammengesetzten Kurbelarm-Konstruktion, was die Gesamtkosten zur Herstellung eines Kurbelarms 10 der Erfindung verringert.
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Das Stützelement 16 zwischen dem ersten Ende 12 und dem zweiten Ende 14, d. h. der mittlere Abschnitt 34, kann in einer Ausführungsform „C”-förmig ausgestaltet sein und seine Wanddicke kann weniger als etwa drei (3) Millimeter betragen, um das Gewicht zu verringern. Ein „C”-förmiges Stützelement 16 wird in den 5A–C gezeigt.
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Die Wanddicke des Verbindungsabschnitts 40 des mittleren Abschnitts 34 kann etwa 1,5–2 Millimeter betragen, und der obere und untere Flansch 36, 38 können mehr als etwa 1,5 Millimeter bis zum Beispiel 3 Millimeter betragen. Es versteht sich, dass die genaue Dicke der verschiedenen Abschnitte davon abhängt, zumindest teilweise, welcher Werkstoff in dem Teil und im Herstellungsprozess verwendet wird. In einem Beispiel kann das Stützelement 16 mit einer geringeren Wandstärke geschmiedet und weiterverarbeitet werden, als der gegenwärtige Schmiedeprozess erlaubt. Die Kombination des Stützelements 16 und der festhaftenden zusammengesetzten Außenhülle 24 sind derart bemessen und geformt, dass sie einen geschlossenen Bereich ergeben, der den Belastungen standhalten wird, die im Gebrauch auftreten.
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Der Einsatz 20 in der oben dargestellten Ausführungsform ist „D”-förmig und kann ein vorgeformtes Element sein, wie in 5A gezeigt wird. Mit anderen Worten kann der Einsatz 20 in seiner endgültigen Form hergestellt werden und dann innerhalb der Aussparung 18 des Stützelements 16 angeordnet werden. In dieser Ausführungsform kann der Einsatz 20 derart geformt und bemessen sein, dass er die Aussparung 18 füllt oder geringfügig überfüllt. Der Einsatz 20 kann derart geformt und bemessen sein, dass er die Aussparung 18 beinahe füllt. Der Einsatz 20 wird hauptsächlich verwendet, um die Mitte des mittleren Abschnitts des Kurbelarms zu füllen, die durch die Aussparung 18 mit einem geringen Dichtmaterial definiert ist, um das Gesamtgewicht des Kurbelarms zu verringern. Der Einsatz 20 kann auch so konfiguriert sein, dass er die erforderliche Unterstützung bereitstellt, die benötigt wird, um den angrenzenden äußeren Verbundwerkstoff bei der Bildung der Außenhülle 24 während des Härtungsprozesses zu konsolidieren. Auf diese Weise kann die genaue Endform des Kurbelarms 10 kontrolliert werden und die Funktion des Einsatzes bei der Unterstützung der Außenhülle 24 während der Herstellung ist vorhersagbar.
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5B und C und 10 zeigen Einsätze 20, die eine oder mehrere Lücken oder Vertiefungen 50 aufweisen. Die Vertiefungen 50 können zur Aussparung 18 hin geöffnet sein, sodass die Außenhülle 24 unterstützt wird. Die Vertiefungen 50 können rund oder nicht rund sein und können eine Längsachse aufweisen, die transversal oder nicht-transversal ausgerichtet ist.
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Das Material des Einsatzes 20 kann viele Werkstoffe umfassen, aber Polyurethanschaum ist ein bevorzugter Werkstoff, weil er ohne weiteres in eine Endform (Net Shape) gegossen werden kann und eine geringe Dichte aufweist. Andere Arten von Schaum wie Rohacell®, ein Polymethacrylimid, können auch verwendet werden. Ein anderes Beispiel ist poylmerbasierter Werkstoff mit Wabenstruktur. Der Einsatz 20 könnte auch aus einem festeren Werkstoff wie Wachs oder aus einer niedrigen Schmelzmetalllegierung hergestellt werden. In einigen Ausführungsformen kann der Einsatz 20 entfernt werden, nachdem die Außenhülle 24 um diesen herum gewickelt wurde und ausgehärtet ist, was eine Vertiefungslücke in Form der Aussparung 18 hinterlässt. Polyurethanschaum ist als Werkstoff für den Einsatz vorteilhaft, da er etwas größer hergestellt werden kann als die Aussparung 18, um eine Unterstützung für die Außenhülle 24 bereitzustellen, und er kann, sofern nötig, komprimiert werden. Ein Wachseinsatz wird sich etwas ausweiten, wenn er erhitzt wird, um eine Unterstützung auf gleiche Weise bereitzustellen.
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Derzeitig ist eine Dichte von etwa 0,1–0,9 g/cm3 (wobei „g” gleich Gramm und „cm” gleich Zentimeter ist) für den Einsatz 20 wünschenswert. Eine Dichte von etwa 0,3 g/cm3 ist bevorzugt. Schaumdichten können so gering wie 0,03 g/cm3 sein. Wenn der Einsatz 20 wie bei dem Wachsbeispiel herausnehmbar ist, könnte die Dichte aufgrund des höheren Gewichts höher sein ohne die negativen Effekte. Ähnlich zur wabenförmigen Struktur zieht die Erfindung eine Rippenstruktur mit einer Außenhaut auf der einen Seite in Erwägung, die zur Außenhülle zeigt.
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Das Stützelement/der Einsatzuntereinheit 16, 20 ist größtenteils mit Faserverbundwerkstoff bedeckt, wie z. B. FVW, um eine zusammengesetzte Außenhülle 24 auszugestalten, die größtenteils den Unterbau bedeckt. In der abgebildeten Ausführungsform bedeckt die Außenhülle 24 einen Großteil der Außenseite des Kurbelarms 10. In anderen Ausführungsformen kann die Außenhülle 24 die gesamte Außenfläche des Kurbelarms 10 oder einen Abschnitt des Kurbelarms bedecken. Die Einheit 16, 20, 24 wird dann zusammen ausgehärtet, sodass sie einen strukturell zusammengefügten Kurbelarm 10 ausgestalten. Das Ergebnis ist ein gewichtsreduzierter zusammengesetzter Arm, der kostengünstig herzustellen ist.
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Verschiedene Formen oder Kombinationen von faserverstärktem Harz können benutzt werden, um die zusammengesetzte Außenhülle 24 zu konstruieren. Einseitige oder gewobene „Prepreg” (vorimprägnierte Verbundfasern) werden für die Erfindung auch in Erwägung gezogen, um den Vorteil der Fähigkeit die Faserrichtung und den Harzinhalt zu kontrollieren auszunutzen, aber Materialien wie SMC (Sheet Molding Compound) oder BMC (Bulk Molding Compound) können auch verwendet werden. Faserwerkstoff, der in der Zusammensetzung genutzt wird, kann auch eine oder mehrere Kohlefasern, Glasfasern, Aramidfasern oder andere passende Fasern umfassen.
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Wie in den 5A–C gesehen werden kann, kann die zusammengesetzte Außenhülle in dem Bereich dünner sein, der an den Verbindungsabschnitt 40 des C-förmigen Abschnitts von dem Stützelement angrenzt, da lokal das Stützelement eine relevante Struktur von selbst bereitstellt. Die Dicke des Verbundwerkstoffs kann, wie in 7 gezeigt, an den Enden 12, 14 verringert werden, weil die Struktur der Enden 12, 14 einen wichtigen Betrag an Unterstützung bereitstellt. Strukturbedingt gibt es einen geringeren Betrag an Belastung an den Enden 12, 14 des Kurbelarms 10, sodass die Dicke der zusammengesetzten Außenhülle lokal reduziert werden kann, um zusätzliches Material zu sparen. Weniger Verbundwerkstoff verringert auch die handwerkliche Ruhezeit, die ferner die Kosten der Herstellung reduziert.
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Die zusammengesetzte Außenhülle 24 wird zu anfangs aus mehreren Schichten nicht ausgehärtetem faserverstärkten Harz zusammengesetzt. Diese Schichten können strategisch miteinander und mit dem „C”-förmigen Bereich überlappt werden, um eine größere strukturelle Verbundfähigkeit zu erreichen. Der große Kontaktbereich zwischen dem Stützelement 16 und der zusammengesetzten Außenhülle 24 erhöht die Bindungsfläche des faserverstärkten Harzes, um eine hervorragende strukturelle Verbindung zum Stützelement bereitzustellen.
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Bezugnehmend auf 6 kann die Außenhülle 24 von zwei Hauptschichten ausgestaltet werden: einer Innenmantelschicht 44, die die Innenseite 22 überzieht und die Innenseite 22 gegen den Einsatz 20 und den unteren und oberen Flansch 36, 38 spannt; und einer Außenmantelschicht 46, die die Außenseite 23 gegen den mittleren Abschnitt 34 und die Teile der Innenmantelschicht überzieht, die den unteren und oberen Flansch 36, 38 überzieht und spannt. Die Innenmantelschicht 44 und die Außenmantelsicht 46 können jeweils aus mehreren Schichten eines FVW-Materials hergestellt sein. In einer Ausführungsform weist die Außenmantelschicht 46 weniger FVW-Material auf als die Innenmantelschicht 44.
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Während die Erfindung unter Bezugnahme auf eine bestimmte Ausführungsform beschrieben wurde, versteht es sich, dass zahlreiche Änderungen innerhalb der Grundidee und des Umfangs der beschriebenen erfinderischen Konzepte vorgenommen werden könnten. Dementsprechend ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform begrenzt ist, sondern dass sie in vollem Umfang dem Wortlaut der folgenden Ansprüche zu verstehen ist.
