DE102016211690A1 - Fahrradwälzlagerung - Google Patents
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Abstract
Eine Fahrradwälzlagerung umfasst folgende Merkmale: – ein äußeres Abrollflächenelement, – ein inneres Abrollflächenelement, – ein zwischen den Abrollflächenelementen angeordneter Satz von Wälzkörpern, so dass die Abrollflächenelemente gegeneinander nach Art eines Wälzlagers wenigstens verschwenkbar sind, und – ein wenigstens kammkäfigartig ausgebildeter Schmierstoffspeicher zum Speichern und Abgeben eines Schmierstoffs mit sich zwischen den Wälzkörpern erstreckenden Stegelementen und einem die Stegelemente verbindenden Seitenring.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Fahrradwälzlagerung.
- An unterschiedlichsten Stellen eines Fahrrads kommen Wälzlager, insbesondere Kugellager zum Einsatz. Die Einsatzstellen sind unter anderem das Tretlager, die Radnaben, das Gabelschaft- bzw. Steuersatzlager, die Schaltwerksrollenlager sowie Lagerungen des Schwingenhinterbaus. Bei Einsatz des Fahrrads in verschmutztem bzw. verschlammtem Gelände, mit Süß- oder auch Salzwasserkontakt, wie auch bei regnerischen und windigen Wetterverhältnissen, gefolgt von gegebenenfalls starken Reinigungskräften z.B. bei Einsatz eines Hochdruckreinigers, sind auch besagte Lagerstellen massiven Belastungen ausgesetzt. Dies gilt in besonderem Maße für entsprechend eingesetzte Mountainbikes.
- Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Fahrradwälzlagerung zu schaffen, die auch bei den vorgenannten Einsatzbedingungen eine lange Lebensdauer aufweist.
- Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
- Gemäß Anspruch 1 umfasst eine Fahrradwälzlagerung folgende Merkmale:
- – ein äußeres Abrollflächenelement,
- – ein inneres Abrollflächenelement,
- – ein zwischen den Abrollflächenelementen angeordneter Satz von Wälzkörpern, so dass die Abrollflächenelemente gegeneinander nach Art eines Wälzlagers wenigstens verschwenkbar sind, und
- – ein wenigstens kammkäfigartig ausgebildeter Schmierstoffspeicher zum Speichern und Abgeben eines Schmierstoffs mit sich zwischen den Wälzkörpern erstreckenden Stegelementen und einem die Stegelemente verbindenden Seitenring.
- Mountainbiketouren im Gelände können insbesondere bei schlechtem Wetter durch Schlamm, Wasser und Dreck sehr schnell zur Extrembelastung von Wälzlagerungen des Mountainbikes werden. Außerdem kann beim Reinigen der Mountainbikes Wasser in die Lager geraten, wenn deren Dichtungen bzw. Deckscheiben durch einen Hochdruckstrahl „eingedrückt“ werden, wobei oft genug mit mehr als 15 bar Wasserdruck gereinigt wird. Allerdings dürfen gängige Standarddichtungen, wie sie normalerweise in Mountainbikewälzlagern verbaut sind, lediglich maximalen Druckunterschieden von etwa einem bar ausgesetzt werden. Als Folge gelangen Wasser und weitere Fremdstoffe ins Lagerinnere, der Schmierstoff kann die Stahloberflächen im Lager nicht ausreichend schützen und es kommt zu chemischen Reaktionen. Rostnarben und Spaltkorrosion verursachen möglicherweise Schälungen und Risse, die im schlimmsten Fall sogar die Sicherheit des Fahrers gefährden, beispielsweise bei einem abrupt blockierenden Radnabenlager. Insbesondere wenn nach dem Reinigen das Mountainbike in Garage oder Keller stillsteht, kann aufgrund des Kapillareffekts Wasser in das Lager eindringen und Rost bilden.
- Konventionelle Wälzlager werden weiterhin mit einem Fettfüllgrad von 25 bis 35 Prozent des freien Volumens im Lager ausgeliefert. Bei der vorausgehend beschriebenen Einsatzwie auch Reinigungsbelastung reicht auch dies neben den Dichtungen bzw. Deckscheiben der Lagers nicht aus, um die vorausgehenden beschriebenen Folgen durch das Vordringen von Schmutz oder auch von aggressiven Flüssigkeiten wie Salzwasser wirksam zu verhindern.
- Deswegen werden erfindungsgemäß die Lager mit einem Schmierstoffspeicher, insbesondere einer in Öl getränkten Polymermatrix gefüllt, der den freien Raum im Lager sozusagen ausfüllt und den gegebenenfalls vorhandenen Käfig sowie die Wälzkörper wenigstens teilweise umschließt. Durch Einsatz des Schmierstoffspeichers ist das vorausgehend beschriebene Korrosionsrisiko minimiert. Bei einem fast vollständigen Ausfüllen des Lagerinneren mit dem Schmierstoffspeicher kann das Wasser nicht wirklich ins Lager eintreten. Die Wälzlager sind vor Verunreinigung und vorzeitigem Ausfall geschützt.
- Besagter Schmierstoffspeicher kommt bevorzugt dann zum Einsatz, wenn die Lagerstelle schwer zugänglich und eine Nachschmierung schwierig ist, oder wenn sie aggressiven Reinigungsmitteln widerstehen muss. Dabei bildet die Matrix einen sehr guten Schutz gegen das Eindringen von Reinigungsmitteln, Verunreinigungen und damit letztlich Korrosion. Das Wälzlager wird durch das Einbringen des Schmierstoffspeichers praktisch wartungsfrei, so dass ein Nachschmieren hinfällig ist.
- Weitere Vorteile dieser Lösung sind, dass das Öl stets an der Einsatzstelle bleibt, es tritt nicht aus und verschmutzt seine Umgebung nicht. Im Lager wird deutlich mehr Schmierstoff deponiert als bei einer herkömmlichen Fettschmierung. Die Polymermatrix ist umweltverträglich und ermöglicht die gleiche Tragzahl wie Standardlager. Außerdem kann diese Matrix nicht durch Wasser ausgewaschen werden.
- Um die Eignung der Polymerfüllung zu testen, wurde die Lagerung der Naben von Laufrädern des Mountainbikes ausgewählt, weil diese den größten Schwachpunkt darstellt. Anschließend folgte ein knapp einjähriger Stresstest von 5.500 Kilometer Laufleistung (darin über 90 Höhenkilometer) mit einem Gelände- und Schotteranteil von 87 Prozent bei einer gesamten Einsatzzeit von 228 Stunden; davon 31 Prozent bei Regen bzw. Nässe, inklusive einer viermaligen, gründlichen Reinigung des Fahrrads per Hochdruck. Nach Abschluss des Stresstests steht eineindeutig fest, dass die ölgetränkte Polymermatrix das Korrosionsrisiko sowie die Kondensatbildung erheblich minimiert. Außerdem bewährte sich die zusätzliche Abdichtung per RS1-Dichtscheiben als verstärkter Schutz gegen Wassereintritt und Rost. Weil der Schmierstoffspeicher aufgrund des relativ großen Ölreservoirs im Lager zwei- bis viermal mehr Grundöl als ein Lager mit herkömmlicher Fettschmierung enthält, konnte darüber hinaus während der gesamten Testphase komplett auf eine Nachschmierung verzichten werden. Selbst anfängliche Bedenken wegen einer womöglich erhöhten inneren Reibung hat der Test ausgeräumt: Die erfindungsgemäß ausgestatteten Laufräder zeigten das gleiche Verhalten wie Standardlaufräder.
- Besagte Schmierstoffspeicher eignen sich dabei für den Einsatz in Wälzlagern in Schwingen von vollgefederten Rädern, in Tretlager, in Naben von Laufrädern, in Schaltwerksrollen sowie bei Gabelschaft- bzw. Steuersatzlagern
- Dabei konnte insbesondere das Vorurteil der Fachwelt widerlegt werden, dass der Schmierstoffspeicher sich negativ auf die insbesondere beim Mountainbike geforderten Leichtlaufeigenschaften auswirke. Der Reibwert wird nicht negativ beeinflusst. Auch sonstig befürchtete negative Auswirkungen durch den Einsatz des Schmierstoffspeichers als sozusagen zusätzliches, massebehaftetes mit umzuwälzendes Objekt konnten widerlegt werden.
- Gegenüber einem konventionellen mit schleifenden oder berührungslosen Dichtungen ausgerüsteten Wälzlager ergibt sich insbesondere der Vorteil, dass durch das Vorhandensein des Schmierstoffspeichers auch bei einem Reinigen mit vergleichsweise hohen Drücken ein nach innen Drücken und damit ein Undichtwerden der Lagerdichtungen durch die mechanische Abstützung durch den Schmierstoffspeicher sicher verhindert wird. Gegenüber einem konventionellen Wälzlager mit schleifend anliegenden Dichtungen tritt der weitere Vorteil hinzu, dass auch nach einem Abnutzen der schleifend anliegenden Dichtlippen das Wälzlager durch den Schmierstoffspeicher weiterhin gegen äußere Einflüsse hinreichend geschützt bleibt. Dies ist dabei unabhängig davon, ob auch das Wälzlager mit Schmierstoffspeicher mit schleifenden Dichtungen ausgebildet ist, die natürlich auch abnutzen können, aber halt dann nicht mit den fatalen Folgen wie beim vergleichbaren konventionellen Wälzlager, oder ob es mit berührungslosen Dichtscheiben ausgestattet ist, was sich faktisch auch nach einem Abnutzen der schleifenden Dichtungen einstellt, oder ob es gleich von Anfang an ganz ohne Abdichtungen nur mit dem Schmierstoffspeicher ausgestattet ist.
- Bei der Ausbildung des Schmierstoffspeichers als ölimprägnierbare Polymermatrix verbleiben nach dem Einpressen des Polymerwerkstoffs nur sehr enge Zwischenräume zwischen den Wälzkörpern und Laufbahnen. Das lässt den ungehinderten Umlauf der Lagerteile zu. Der Polymerwerkstoff hat eine poröse Struktur mit Millionen mikroskopisch kleiner Poren, die das Öl durch die Oberflächenspannung zurückhalten. Beim Einsatz wird das Öl vom Polymerwerkstoff in die engen Zwischenräume zwischen ihm und den Lagerteilen abgelassen und sorgt so für eine effiziente Minimalmengenschmierung.
- Damit ergeben sich folgende Eigenschaften und Vorteile: Es ergibt sich eine längere Schmierstoffgebrauchsdauer und es sind größere Mengen Öl verfügbar als bei einer vergleichbaren Fettschmierung. Dadurch gibt es auch keine Fettreibung. Es kann ein umweltfreundliches, hochwertiges und/oder oxidationsbeständiges Synthetiköl eingesetzt werden. Der Schmierstoffspeicher macht die Schmierstoffeinbringung ausspülungsfest. Weiterhin kann sich eindringendes Wasser nicht mit dem Öl oder Polymerwerkstoff mischen. Schmierstofflecks sind praktisch ausgeschlossen, da die Polymermatrix das Öl im Lager hält. Dichtungen im Lager erhöhen die Ölverweildauer noch mehr. Weiterhin entsteht ein zusätzlicher Schutz vor dem Eindringen von Verunreinigungen. Die enge Schmiegung zwischen der Polymerstruktur, den Wälzkörpern und Laufbahnen reduziert das Eindringen von Verunreinigungen ganz erheblich. Weiterhin unterstützt der Schmierstoffspeicher gegebenenfalls am Lager vorhandene Dichtungen, da ein nach innen Biegen der Dichtungen und damit verbundene Undichtigkeiten durch den Schmierstoffspeicher verhindert werden.
- Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren. Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Mountainbikes und dessen erfindungsgemäß bestückbaren Lagerstellen, -
2 einen Längsschnitt des Tretlagers aus1 , -
3 und4 den oberen Bereich eines Längsschnitts durch Rillenkugellager des Tretlagers, -
5 einen Längsschnitt des Gabelschaftlagers aus1 , und -
6 den oberen Bereich eines Längsschnitts durch ein Schrägkugellager des Gabelschaftlagers. - Die
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Mountainbikes mit einem Fahrradrahmen1 und diejenigen Lagerstellen, an denen die erfindungsgemäß ausgebildeten Wälzlager mit besonderem Vorteil einsetzbar sind. Es handelt sich dabei insbesondere um die beiden Radnaben5a und5b , das Tretlager2 sowie die Schaltwerksrollenlager6 , wobei die dort eingesetzten Wälzlager durch Rotation belastet sind. Weiterhin betrifft dies das Gabelschaft- bzw. Steuersatzlager3 sowie die Lager7a ,7b und7c des Schwingenhinterbaus des Mountainbikes, wobei diese Lager3 ,7a ,7b und7c einer Verschwenkbewegung ausgesetzt sind. Bei anderen Rahmenausbildungen eines Mountainbikes können natürlich auch die dort notwendigen verschwenk- oder drehbeweglichen Verbindungsstellen mit erfindungsgemäß ausgebildeten Wälzlagern ausgestattet sein. - Die
2 zeigt einen Längsschnitt durch das Tretlager2 aus1 . Dabei ist die durch die beiden Pedale antreibbare Kurbelwelle24 über zwei einreihige Kugellager21 und22 über eine entsprechende Aufnahme19 im Fahrrahmen1 drehbar gelagert. Dabei sind die beiden Kugellager21 und22 des Tretlagers2 gemäß der2 beispielsweise entsprechend den Rillenkugellagern der3 oder4 ausgebildet. - Die
3 zeigt den oberen Bereich eines Längsschnitts durch ein Rillenkugellager, wie es als Kugellager21 und22 beim Tretlager2 erfindungsgemäß einsetzbar ist. Das Rillenkugellager umfasst ein äußeres Abrollflächenelement51 , das im hier gezeigten Ausführungsbeispiel ringförmig ist, und beispielsweise aus einem durch- oder einsatzgehärteten Wälzlager- oder Einsatzstahl ausgebildet ist. In anderen Ausführungsformen kann das äußere Abrollflächenelement51 natürlich auch integraler Bestandteil eines Gehäuses sein und aus anderen geeigneten Materialen ausgebildet sein. Weiterhin umfasst das Rillenkugellager ein inneres Abrollflächenelement52 , für das das vorausgehend zum äußeren Abrollflächenelement51 Beschrieben entsprechend gilt, so dass zum Beispiel das innere Abrollflächenelement52 auch integraler Bestandteil einer Welle sein kann. Zwischen den Abrollflächenelementen52 und51 ist ein Satz von kugelförmigen Wälzkörpern54 angeordnet, die auf den Laufbahnflächen des inneren und äußeren Abrollflächenelements52 und51 zum Abrollen vorgesehen sind, so dass über die Wälzkörper54 die Abrollflächenelemente51 und52 gegeneinander nach Art eines Wälzlagers verschwenkbar bzw. drehbar sind. Dabei sind die Wälzkörper54 in einem Käfig55 angeordnet und ggf. gehalten, der ein gegenseitiges Berühren der Wälzkörper54 unterbindet. Der Käfig55 kann aus einem geeigneten Material beispielsweise einer Metalllegierung oder Kunststoff ausgebildet sein. - Der die Wälzkörper
54 beinhaltende Raum zwischen dem äußeren und inneren Abrollflächenelement51 und52 ist dabei nach außen hin durch Dichtungen56 abgedichtet, wobei die scheibenartig ausgebildeten Dichtungen56 im äußeren Abrollflächenelement51 beispielsweise durch ein Einschnappen in eine entsprechende Rille gehalten sind, und innen mit einer Dichtlippe nach Art einer berührenden Dichtung am inneren Abrollflächenelement52 berührend anliegen. Der neben den Wälzkörpern54 und dem Käfig55 zwischen dem äußeren und inneren Abrollflächenelement51 und52 sowie zwischen den Dichtungen56 verbleibende Raum ist vom Schmierstoffspeicher57 zu einem Anteil von größer 80% ausgefüllt. In anderen Ausführungsformen, auch in Abhängigkeit vom jeweiligen Dichtungsdesign sind auch Ausfüllungen größer 90% bis hin zu 95%, 97% oder auch nahe an die 100% möglich. Der Schmierstoffspeicher57 ist dabei aus einer mit einem Schmieröl imprägnierbaren Polymermatrix ausgebildet. In einer Ausführungsform kann der Käfig55 auch entfallen, so dass dessen Raum wie auch Funktion mit vom Schmierstoffspeicher57 erfüllt wird. - Die
4 zeigt den oberen Bereich eines Längsschnitts durch ein weiteres Rillenkugellager, wie es als Kugellager21 und22 beim Tretlager2 erfindungsgemäß einsetzbar ist. Dabei unterscheidet sich das Rillenkugellager der4 von dem der3 lediglich dadurch, dass anstelle der ins Lager integrierten berührenden Dichtungen56 nunmehr einen Dichtspalt ausbildende Dichtscheiben56‘ eingesetzt sind. Ansonsten gilt das vorausgehend zum Rillenkugellager der3 Beschrieben entsprechend, wobei vergleichbare Bauelemente mit gleichen Bezugszeichennummern ergänzt um einen Hochstrich bezeichnet sind. - In anderen Ausführungsformen können die Lager der
3 und4 auch mit lediglich einer Dichtung56 oder56‘ ausschließlich auf der vom Inneren des Tretlager2 wegweisenden Außenseite des Tretlagers2 angeordnet sein, da die Innenseiten ohnehin vor äußeren Einflüssen abgeschirmt angeordnet sind. In wiederum einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform können Lager entsprechend den3 und4 auch ganz ohne Dichtungen56 und56‘ eingesetzt werden. - Die
5 zeigt einen Querschnitt durch einen Bereich des Gabelschaftlagers3 . Dabei ist im entsprechend ausgebildeten Fahrradrahmen1 eine Lagerschale32 angeordnet, in der ein Schrägkugellager31 angeordnet ist, das den Gabelschaft34 der Fahrradgabel gegenüber dem Fahrradrahmen1 verschwenkbar lagert. Dabei ist das erfindungsgemäß beim Gabelschaftlager3 eingesetzte Schrägkugellager31 in der6 genauer dargestellt. - Dabei zeigt die
6 den oberen Bereich eines Längsschnitts durch das Schrägkugellager31 . Prinzipiell gilt dabei das vorausgehend zu den Lagern der3 und4 Beschrieben hier entsprechend, so dass vergleichbare Bauelemente mit gleichen Bezugszeichennummern ergänzt um zwei Hochstriche bezeichnet sind. Anders als bei den3 und4 ist das Schrägkugellager der6 ohne Dichtungen ausgebildet, so dass die oben bezeichneten Prozentwerte zur Raumausfüllung durch den Schmierstoffspeicher57‘‘ beim Schrägkugellager der6 für den die Wälzkörper55‘‘ beinhaltenden Raum gelten, der dadurch entsteht, dass man sich sozusagen im Sinne einer Einhüllenden der beiden Abrollflächenelemente51‘‘ und52‘‘ eine die jeweiligen Stirnseiten der Abrollflächenelemente51‘‘ und52‘‘ verbindende Linie, insbesondere eine Gerade vorstellt. In anderen Ausführungsformen kann das Schrägkugellager der6 wie zu den3 und4 beschrieben natürlich auch mit dort gezeigten Dichtungen beidseitig, oder wie ebenfalls oben beschrieben lediglich einseitig bestückt sein. - In anderen Ausführungsformen können anstelle der dargestellten Rillen- und Schrägkugellager, natürlich auch andere Kugellager, beispielsweise Drei- oder Vierpunktkugellager, aber auch Rollenlager, beispielsweise Zylinderrollenlager zum Einsatz kommen und/oder auch mehrreihige Wälzlager.
Claims (10)
- Fahrradwälzlagerung, umfassend folgende Merkmale: – ein äußeres Abrollflächenelement, – ein inneres Abrollflächenelement, – ein zwischen den Abrollflächenelementen angeordneter Satz von Wälzkörpern, so dass die Abrollflächenelemente gegeneinander nach Art eines Wälzlagers wenigstens verschwenkbar sind, und – ein wenigstens kammkäfigartig ausgebildeter Schmierstoffspeicher zum Speichern und Abgeben eines Schmierstoffs mit sich zwischen den Wälzkörpern erstreckenden Stegelementen und einem die Stegelemente verbindenden Seitenring.
- Fahrradwälzlagerung nach Anspruch 1, wobei der Schmierstoffspeicher auf der dem Seitenring gegenüberliegend mit einem weiteren Seitenring fensterkäfigartig ausgebildet ist.
- Fahrradwälzlagerung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Schmierstoffspeicher hin zu den Wälzkörpern und Abrollflächenelementen mit einem vorgebbaren Spiel ausgebildet ist, und ansonsten die Stegelemente die Zwischenräume zwischen den Wälzkörpern, abgesehen von einem gegebenenfalls vorhandenen Wälzlagerkäfig, ausfüllen und/oder der Seitenring zusammen mit den Abrollflächenelementen auf der Seitenringseite die Wälzkörper nach außen hin abschirmt.
- Fahrradwälzlagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Wälzlagerung zusätzlich zu dem Schmierstoffspeicher mit einem vom Schmierstoffspeicher materialunterschiedlichen Wälzlagerkäfig ausgebildet ist, wobei dann insbesondere der Schmierstoffspeicher wenigstens Abschnitte des Wälzlagerkäfigs wenigstens teilweise umschließend ausgebildet ist.
- Fahrradwälzlagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Wälzlagerung frei von einem vom Schmierstoffspeicher materialunterschiedlichen Wälzlagerkäfig ausgebildet ist, wobei dann insbesondere der Schmierstoffspeicher eine Funktion eines Wälzlagerkäfigs mitübernehmend ausgebildet und angeordnet ist.
- Fahrradwälzlagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der die Wälzkörper beinhaltende Raum wenigstens zu einer der Seiten hin nach außen durch eine zwischen den Abrollflächenelementen wirkende Dichtung abgedichtet ist, wobei dann insbesondere die Dichtung als berührende oder eine Spalt ausbildende Dichtung ausgebildet ist, und wobei dann insbesondere die Wälzlagerung beidseitig mit Dichtungen versehen ist und der zwischen den Dichtungen verbleibende Raum neben den Wälzkörpern und dem gegebenenfalls vorhandenen Käfig zu einem Anteil von größer 80%, oder größer 90% bis hin zu 95%, 97% oder nahezu vollständig vom Schmierstoffspeicher erfüllt ist.
- Fahrradwälzlagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der die Wälzkörper beinhaltende Raum wenigstens zu einer der Seiten hin nach außen frei von einer Dichtung oder Abschirmung ist, wobei dann insbesondere die Wälzlagerung an beiden Seiten frei von einer zwischen den Abrollflächenelementen integrierten Dichtung oder Abschirmung ist, die Abrollflächenelemente ringartig ausgebildet sind und eine Einhüllende der beiden ringförmigen Abrollflächenelemente einen zwischen den Abrollflächenelementen verbleibende Raum definiert, der neben den Wälzkörpern und dem gegebenenfalls vorhandenen Käfig zu einem Anteil von größer 80%, oder 90% bis hin zu 95%, 97% oder auch nahezu vollständig vom Schmierstoffspeicher erfüllt ist.
- Fahrradwälzlagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Schmierstoffspeicher feinporös, schwammartig ausgebildet ist, der Schmierstoffspeicher aus einer Polymermatrix ausgebildet ist und/oder der Schmierstoff ein bei Raumtemperatur flüssiger Schmierstoff, insbesondere ein Schmieröl ist.
- Fahrradwälzlagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Wälzlagerung einreihig, insbesondere als Schräg- oder Rillenkugellager ausgebildet ist.
- Fahrradwälzlagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Wälzlagerung bei einem Tretlager, Nabenlager, Hinterbauschwingenlager, Schaltwerksrollenlager oder Gabelschaft- bzw. Steuersatzlager eingesetzt ist, und/oder das Fahrrad ein Mountainbike ist.
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