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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Speiche und ein mit wenigstens einer solchen Speiche ausgerüstetes Laufrad insbesondere für ein Fahrrad oder ein sonstiges wenigstens teilweise muskelbetriebenes Zweirad.
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Bei Fahrzeugen generell und insbesondere auch bei wenigstens teilweise muskelbetriebenen Fahrzeugen spielt die Aerodynamik eine wichtige Rolle, da der Windwiderstand mit zunehmender Geschwindigkeit den größten Einfluss auf die zum Antrieb erforderliche Leistung hat. Zur Reduzierung des Windwiderstands eines Fahrrads sind deshalb geschlossene Laufräder bekannt geworden, die einen stark reduzierten Windwiderstand bieten. Derartige geschlossene Laufräder haben aber den Nachteil, dass dort bei Seitenwind ganz erhebliche Seitenwindkräfte einwirken, die das Steuern eines Zweirades erheblich erschweren können. Deshalb werden geschlossene Scheibenräder nicht regelmäßig für Straßenräder eingesetzt.
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Bei Speichenrädern tragen die Speichen zu einem erheblichen Anteil zu dem Windwiderstand bei. Die standardmäßig rund ausgebildeten Speichen weisen nicht optimale Luftwiderstandswerte auf. Deshalb sind auch sogenannte Messerspeichen bekannt geworden, die einen in Laufrichtung flachen Querschnitt aufweisen und somit zur Verringerung des Windwiderstandes beitragen.
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Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein mit Speichen ausgerüstetes Laufrad und eine insbesondere einfach herzustellende Speiche für ein solches Laufrad zur Verfügung zu stellen, womit eine verbesserte Reduzierung des Windwiderstandes ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Speiche mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Laufrad mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der allgemeinen Beschreibung und aus der Beschreibung des Ausführungsbeispiels.
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Ein erfindungsgemäßes Laufrad ist für den Einsatz an einem wenigstens teilweise muskelbetriebenen Fahrrad vorgesehen und weist eine Nabe und eine Felge auf. Die Nabe ist mit der Felge über eine Vielzahl von Speichen verbunden. Dabei weist wenigstens eine der Speichen einen Speichenkörper mit zwei voneinander entfernten Enden auf, nämlich einem nabenseitigen ersten Ende und einem felgenseitigen zweiten Ende.
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Das erste bzw. nabenseitige Ende ist mit der Nabe verbunden und das zweite bzw. felgenseitige Ende ist mit der Felge verbunden.
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Der Speichenkörper ist langgestreckt ausgebildet und weist wenigstens einen näher an dem ersten Ende als dem zweiten Ende angeordneten ersten Mittelbereich und wenigstens einen näher an dem zweiten Ende als an dem ersten Ende angeordneten zweiten Mittelbereich auf. Es können auch viele (unterschiedliche) Mittelbereiche vorgesehen sein.
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Dabei weist der Speichenkörper in dem ersten Mittelbereich und in dem zweiten Mittelbereich des Speichenkörpers jeweils einen im Wesentlichen in einer Längsebene aufgenommenen abgeflachten Querschnitt auf. Die Querschnitte unterscheiden sich voneinander.
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In dem zweiten Mittelbereich ist der Speichenkörper asymmetrischer ausgebildet als in dem ersten Mittelbereich.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist im betriebsbereiten Zustand bei der jeweils obersten Speiche des Laufrades in einem Querschnitt in dem zweiten Mittelbereich die nach vorn ausgerichtete Längshälfte der Speiche breiter ist als die nach hinten ausgerichtete Längshälfte. Dadurch ergibt sich insbesondere eine Art von Tropfenform, die sehr strömungsgünstig ist.
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Eine erfindungsgemäße Speiche weist einen Speichenkörper für ein Laufrad eines wenigstens teilweise muskelbetriebenen Fahrrades auf. Der Speichenkörper weist ein nabenseitiges erstes Ende und ein felgenseitiges zweites Ende auf, wobei die beiden Enden voneinander entfernt sind. Der Speichenkörper ist langgestreckt ausgebildet und weist wenigstens einen näher an dem ersten Ende als dem zweiten Ende angeordneten ersten Mittelbereich und wenigstens einen näher an dem zweiten Ende als an dem ersten Ende angeordneten zweiten Mittelbereich auf.
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Der Speichenkörper weist in dem ersten Mittelbereich und in dem zweiten Mittelbereich des Speichenkörpers jeweils einen im Wesentlichen in einer Längsebene aufgenommenen abgeflachten Querschnitt auf. In dem zweiten Mittelbereich ist der Speichenkörper asymmetrischer ausgebildet als in dem ersten Mittelbereich.
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Die Erfindung hat viele Vorteile. Das erfindungsgemäße Laufrad und auch die erfindungsgemäßen Speichen haben viele Vorteile, da die Speiche einen deutlich reduzierten Windwiderstand für ein Laufrad ermöglicht. In den Bereichen größter Geschwindigkeit kann eine optimale Form zur Verfügung gestellt werden. Die Herstellung ist einfach und kostengünstig.
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Radial weiter innen treten beim Betrieb Geschwindigkeitskonstellationen an der Speiche auf, bei denen eine insgesamt tropfenförmige Speiche nachteilig sein kann. Hier bietet eine in Längsrichtung (vorn/hinten) symmetrische Speiche Vorteile, da sie bei den lokal auftretenden Negativgeschwindigkeiten bessere Eigenschaften bietet.
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Erfindungsgemäß ist das erste bzw. nabenseitige Ende des Speichenkörpers dafür vorgesehen, mit der Nabe verbunden zu werden und das zweite bzw. felgenseitige Ende des Speichenkörpers ist dafür vorgesehen, mit der Felge verbunden zu werden.
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Das „nabenseitige Ende“ kann auch als „erstes Ende“ oder als „erstes nabenseitiges Ende“ oder als „nabenseitiges erstes Ende“ bezeichnet werden und bezeichnet jeweils das der Nabe zugewendete und dort befestigte Ende des Speichenkörpers.
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Das „felgenseitige Ende“ kann auch als „zweites Ende“ oder als „zweites felgenseitiges Ende“ oder als „felgenseitiges zweites Ende“ bezeichnet werden und bezeichnet jeweils das der Felge zugewendete und dort befestigte Ende des Speichenkörpers.
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Ein abgeflachter Querschnitt bedeutet im Sinne der vorliegenden Anmeldung insbesondere, dass der Speichenkörper über wenigstens den ersten und den zweiten Mittelbereich jeweils eine Dicke quer zu der Längsebene aufweist, die kleiner ist als eine Längserstreckung des Speichenkörpers im eingebauten Zustand in Umfangsrichtung des Rades. Quer zu der Längsebene bedeutet quer zu dem Rad.
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In allen Ausgestaltungen ist es möglich, dass eine Vielzahl von sich aneinander anschließenden Mittelbereichen vorgesehen sein kann, wobei eine kontinuierliche oder abgestufte oder quasikontinuierliche Veränderung des lokalen Querschnitts vorliegen kann. So kann radial (fast ganz) innen ein in Längs- und Querrichtung symmetrischer Querschnitt des Speichenkörpers vorliegen, während radial (fast ganz) außen ein (nahezu oder vollständig) tropfenförmiger Querschnitt vorliegen kann.
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In bevorzugten Weiterbildungen weist der Speichenkörper in dem ersten Mittelbereich einen Querschnitt eines ersten Querschnittstyps auf, der im Wesentlichen achsensymmetrisch zu einer Längserstreckung und einer Querachse ausgebildet ist.
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Die Längserstreckung erstreckt sich dabei durch die größte Länge und die Querachse (quer zum Rad) durch die größte Dicke des Speichenkörpers.
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Vorzugsweise weist der Speichenkörper in dem zweiten Mittelbereich einen Querschnitt eines zweiten Querschnittstyps auf, der im Wesentlichen achsensymmetrisch zu einer Längserstreckung ausgebildet ist und der in einer ersten Längshälfte im Durchschnitt dicker ist als in der zweiten Längshälfte. Das bedeutet im eingebauten Zustand insbesondere, dass die z. B. oberste Speiche im zweiten Mittelbereich nach vorn zur Spitze des Fahrrads hin dicker ausgebildet als zum hinteren Ende des Fahrrads hin. Insbesondere ist der zweite Querschnittstyp tropfenförmig ausgebildet.
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Vorzugsweise ist der erste Querschnittstyp (im Wesentlichen) elliptisch ausgebildet ist. Ein solcher Querschnitt bietet den Vorteil, dass bei (relativen) Vorwärts- und Rückwärtsbewegungen der gleiche Strömungswiderstand vorliegt, was bei einer Tropfenform nicht der Fall ist.
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In allen Ausgestaltungen können viele sich aneinander anschließende Mittelbereiche vorgesehen sein. Möglich ist es auch, dass nur wenige oder nur zwei Mittelbereiche vorgesehen sind, zwischen denen (jeweils) ein Übergangsbereich mit einem kontinuierlichen oder gestuften Übergang zwischen dem (jeweils) ersten und dem (jeweils) zweiten (bzw. folgenden) Mittelbereich ausgebildet ist.
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Vorzugsweise beträgt (bei zwei Mittelbereichen) eine Höhe des ersten Mittelbereichs zwischen 1/5 und 2/3 der Speichenhöhe (Länge vom ersten Ende zum zweiten Ende).
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Besonders bevorzugt beträgt eine Höhe des zweiten Mittelbereichs zwischen 1/5 und 2/3 der Speichenhöhe.
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In allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt, dass die Oberfläche des Speichenkörpers glatt ausgebildet ist. Die Oberfläche des Speichenkörpers ist vorzugsweise poliert.
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Es ist möglich, dass in wenigstens einem Mittelbereich über dessen Länge ein konstanter Querschnitt vorliegt. Möglich ist es aber auch, dass sich über der Länge eines Mittelbereichs der Querschnitt ändert.
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Vorzugsweise weist der Speichenkörper einen ersten Endabschnitt an dem nabenseitigen ersten Ende und/oder einen zweiten Endabschnitt an dem felgenseitigen zweiten Ende auf. Der erste und/oder zweite Endabschnitt sind vorzugsweise rund ausgebildet. An dem ersten Endabschnitt kann ein Speichenkopf ausgebildet sein. Der Speichenkopf kann rund ausgebildet sein, ist aber vorzugsweise abgeflacht. Dadurch kann der Speichenkopf eine Verdrehsicherung zur Verfügung stellen, wenn der abgeflachte Speichenkopf an einer flachen Wandung anliegt.
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In allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt, dass der abgeflachte Querschnitt wenigstens im Wesentlichen (oder vollständig) in den runden Querschnitt passt. Das bedeutet, dass die größte Abmessung des abgeflachten Querschnitts nicht mehr als 10% oder 20% größer ist als der Durchmesser des runden Querschnitts. Eine solche Ausgestaltung wird möglich, wenn die abgeflachten Querschnitte in den Mittelbereichen in ein dünneres Segment der Speiche eingebracht werden, wenn der Speichenkörper beispielsweise durch mechanisches Bearbeiten oder Ziehen etc. in den Mittelbereichen vor dem Prägen verjüngt wurde. Beispielsweise kann der Speichenkörper vor der Formgestaltung in den Mittelbereichen von 2,0 mm Durchmesser auf 1,5 mm Durchmesser verjüngt werden.
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Bei der Fahrt mit einem Fahrrad rollt das mit einer solchen Speiche ausgerüstete Laufrad auf dem Boden oder der Straße ab. Dabei liegt am untersten Punkt des Laufrades eine Relativgeschwindigkeit von 0 zu der umgebenden Luft bzw. dem Boden vor. Am obersten Punkt des Laufrades bzw. am obersten Punkt der obersten Speiche liegt hingegen im Wesentlichen die doppelte Relativgeschwindigkeit der tatsächlichen Fahrgeschwindigkeit relativ zu der umgebenden Luft vor. Durch eine z. B. tropfenförmige Ausgestaltung des Querschnitts in dem weiter außen liegen Mittelbereich wird folglich der einer besonders hohen Umfangs- und Relativgeschwindigkeit ausgesetzte äußere zweite Mittelbereich strömungsgünstiger als im Stand der Technik geformt, sodass dort ein deutlich verringerter Luftwiderstand erzielbar ist.
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Gleichzeitig wird in dem zentralen Bereich des Laufrades, also in dem ersten Mittelbereich, der näher an der Nabe angeordnet ist, eine Verschlechterung vermieden, da dort lokal negative Relativgeschwindigkeiten senkrecht zur Speichenoberfläche vorliegen. Bei negativen Relativgeschwindigkeiten werden negative Effekte vermieden. Eine Tropfenform ist nur in einer Strömungsrichtung günstig. Insgesamt wird der Windwiderstand eines damit ausgerüsteten Laufrades gegenüber einem konventionellen Laufrad verringert.
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Bei dem erfindungsgemäßen Laufrad ist die Nabe jeweils mit dem nabenseitigen Ende einer Mehrzahl der Speichen verbunden und die Felge ist jeweils mit dem felgenseitigen Ende der Mehrzahl der Speichen verbunden. Das ist sehr vorteilhaft, da der abgeflachte und mehr tropfenförmige Querschnitt in dem zweiten Mittelbereich radial weiter außen angeordnet ist als der erste Mittelbereich mit einem vorzugsweise elliptischen Querschnitt.
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Der Luftwiderstand wächst quadratisch mit der Relativgeschwindigkeit zwischen Speiche und Luft. Durch die bessere Tropfenform radial weiter außen wird folglich der Luftwiderstand insgesamt besonders vorteilhaft reduziert.
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Ein Laufrad mit derartigen Speichen ist dort aerodynamisch, wo es erforderlich ist und es hat dort weiter innen eine Form, bei der relative Negativgeschwindigkeiten keine nachteilige Auswirkung haben, da dort eine punktsymmetrische Form vorliegt.
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Vorzugsweise sind die Querschnittsflächen in den Mittelbereichen reduziert gegenüber den Querschnittsflächen an den Enden. Das führ zu einem geringeren Gesamtgewicht der Speichen und des Laufrades.
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In allen Ausgestaltungen ist es besonders bevorzugt, dass der abgeflachte Querschnitt der Speichenkörper jeweils im Wesentlichen parallel zu einer durch die Felge aufgespannten Ebene ausgerichtet ist. Im Wesentlichen parallel im Sinne der vorliegenden Erfindung ist auch eine gewisse Schrägstellung von z. B. vorzugsweise bis zu 10° oder insbesondere bis zu 20° oder möglicherweise auch bis zu 30° zur Längsrichtung. Eine gewisse Schrägheit ist normal und oft gewünscht.
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Jedenfalls wird sichergestellt, dass die Mittelbereiche mit dem abgeflachten Querschnitt (im Wesentlichen) in der Laufebene ausgerichtet ist und somit den Windwiderstand erniedrigt und nicht erhöht. Eine Erhöhung könnte auftreten, wenn der abgeflachte Bereich vollständig oder im Wesentlichen quer zu der Fortbewegungsrichtung eines mit einem solchen Laufrad ausgerüsteten Fahrrads ausgerichtet wäre.
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In allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt, dass der abgeflachte Querschnitt vollständig innerhalb der oder parallel zu der Längsebene ausgerichtet ist. Es ist aber auch möglich, dass der abgeflachte Querschnitt des Speichenkörpers in dem ersten Mittelbereich sich nicht vollständig innerhalb der Längsebene oder parallel zu der Längsebene erstreckt, beispielsweise, wenn der erste Mittelbereich eine leichte Krümmung aufweist oder ganz leicht schraubenförmig ausgebildet ist. Dabei erstreckt sich in allen Fällen der abgeflachte Bereich nicht quer zu der Längsebene, sondern maximal innerhalb eines Bereichs von +/- 30° und insbesondere +/-20° und vorzugsweise +/-10° relativ zu der Längsebene. Besonders bevorzugt ist wenigstens eine Längskante des abgeflachten Querschnitts im Rahmen der Fertigungsgenauigkeit des Speichenkörpers parallel zu Längsebene.
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In einer bevorzugten Weiterbildung des Laufrades oder der Speiche weist der Speichenkörper über wenigstens einen Längsabschnitt einen konstanten Querschnitt auf. Dabei ist der Längsabschnitt einer Gruppe von Längsabschnitten entnommen, welche den ersten Endabschnitt und den zweiten Endabschnitt und gegebenenfalls den ersten Mittelbereich und den zweiten Mittelbereich umfasst.
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Unter einem konstanten Querschnitt wird hier im Sinne der vorliegenden Erfindung ein im Wesentlichen konstanter Querschnitt verstanden. Das bedeutet, dass kleine Querschnittsänderungen von zum Beispiel kleiner 10 % und insbesondere kleiner 5 % über der Länge des Längsabschnitts unberücksichtigt bleiben und immer noch als konstanter Querschnitt angesehen werden. Vorzugsweise liegen Querschnittsänderungen über der Länge des Längsabschnitts in einem Abmessungsbereich von kleiner 5 % und insbesondere kleiner 2 %.
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Wenigstens ein Endabschnitt und vorzugsweise beide Endabschnitte sind vorzugsweise in der Längsrichtung des Speichenkörpers kurz ausgebildet. Vorzugsweise sind alle Endabschnitte kürzer als 30 mm und insbesondere kürzer als 25 mm oder 20 mm oder 15 mm.
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Vorzugsweise ist die Länge wenigstens eines Übergangsbereichs und vorzugsweise aller Übergangsbereiche kleiner als eine Länge wenigstens eines und insbesondere des kürzesten Endabschnitts.
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In allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt, dass der abgeflachte Querschnitt in dem ersten und dem zweiten Mittelbereich (und weiteren Mittelbereichen) durch eine Verprägung erzielt wird. Die erfindungsgemäße Speiche ist einfach herzustellen. Die Querschnittserzeugung kann auch anderweitig erfolgen.
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In bevorzugten Weiterbildungen weisen der erste Endabschnitt und der zweite Endabschnitt gleichartig ausgebildete Querschnitte auf. Unter „gleichartig ausgebildeten Querschnitten“ wird im Sinne der vorliegenden Erfindung verstanden, dass die Querschnittsformen von der Form gleich ausgebildet sind, während es aber möglich ist, dass die einzelnen Endabschnitte unterschiedliche Querschnittsabmessungen aufweisen. Besonders bevorzugt weisen der erste Endabschnitt und der zweite Endabschnitt gleiche Querschnitte auf. In besonders bevorzugten Ausgestaltungen sind die Querschnitte wenigstens des ersten Endbereichs und des zweiten Endbereichs jeweils rund und insbesondere im Wesentlichen rund ausgebildet.
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In besonders bevorzugten Ausgestaltungen wird die Speiche aus einem ursprünglich rund oder doch im Wesentlichen ausgebildeten Profil hergestellt, wobei die Mittelbereiche insbesondere durch einen Ziehvorgang oder lokales Hämmern und/oder einen Kaltschmiedevorgang und/oder einen anderen Bearbeitungsschritt oder Bearbeitungsvorgang verjüngt werden, sodass nach dem Ziehvorgang oder Bearbeitungsvorgang zwei Endabschnitte mit größeren Durchmessern und ein zum Beispiel homogener Mittelbereich mit einem verringerten Durchmesser vorliegt.
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Anschließend kann die Mitte verprägt werden, sodass dort die Mittelbereiche mit einem abgeflachten Querschnitt entstehen. Als Folge davon ergeben sich zwei Endabschnitte mit vorzugsweise gleichen Querschnitten und ein erster und zweiter verjüngter Mittelbereich, in dem ein abgeflachter Querschnitt vorliegt. Eine solche Herstellung ist einfach und sehr kostengünstig.
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Es ist aber auch möglich, dass die Speiche nicht aus einem runden Ursprungsprofil, sondern aus einem ovalen, eckigen oder sonstigen Querschnittsprofil hergestellt wird.
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Vorzugsweise weist der abgeflachte Querschnitt in dem zweiten Mittelbereich eine wenigstens etwa flügelformartige mit abgerundeten Ecken ausgebildete Querschnittsform auf. Der erste Mittelbereich weist vorzugsweise eine ovale und/oder (mehr-) eckige und/oder elliptische Form auf.
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In besonders bevorzugten Weiterbildungen weist der Speichenkörper an wenigstens einem der beiden Enden ein Außengewinde und/oder ein Befestigungsmittel mit einem Außengewinde auf, um den Speichenkörper mit der Felge und/oder der Nabe zu verbinden.
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Vorzugsweise weist der Speichenkörper an wenigstens einem der beiden Enden einen Speichenkopf auf, um den Speichenkörper über den Speichenkopf mit der Nabe und/oder der Felge zu verbinden. Dabei kann der Speichenkopf rotationssymmetrisch, spiegelsymmetrisch oder punktsymmetrisch ausgebildet sein. Der Speichenkopf kann beispielsweise halbkugelförmig oder kugelförmig ausgebildet sein. Möglich ist auch eine T-förmige Ausgestaltung des Speichenkopfs.
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Insbesondere ist der Speichenkopf T-förmig ausgebildet und/oder weist einen „T-Head“ auf. Mit einem solchen T-förmigen Speichenkopf kann die Speiche an oder in der Nabe verdrehsicher aufgenommen werden. Das garantiert die passende und insbesondere optimale Ausrichtung der Speiche relativ zur Laufrichtung.
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Vorzugsweise ist das Laufrad mit wenigstens einer Speiche ausgerüstet, wie zuvor beschrieben.
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Insgesamt stellt die Erfindung eine vorteilhafte Speiche und ein vorteilhaftes Laufrad zur Verfügung, womit ein besonders geringer Windwiderstand erreicht werden kann.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen, die nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Figuren erläutert werden.
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In den Figuren zeigen:
- 1 eine schematische Seitenansicht eines Mountainbikes;
- 2 eine schematische Seitenansicht eines Renn- bzw. Tourenrades;
- 3 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Speiche entlang der Längsebene;
- 4 eine schematische Queransicht der Speiche aus 3;
- 5 eine schematische Seitenansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Speiche entlang der Längsebene; und
- 6 eine schematische Queransicht der Speiche aus 5.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Mountainbikes als Fahrrad bzw. Zweirad 100. Das Fahrrad weist zwei Laufräder 101, 102 auf, nämlich ein Vorderrad 101 und ein Hinterrad 102. Weiterhin sind ein Rahmen 103, eine Federgabel 104, ein Hinterraddämpfer 105, ein Lenker 106 und ein Sattel 107 vorgesehen. Als Antrieb 112 sind Pedale und hier eine Kettenschaltung vorgesehen. Das Vorderrad 101 und das Hinterrad 102 sind jeweils an Ausfallenden 113 an der Gabel 104 bzw. dem Rahmen 103 befestigt.
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2 zeigt eine stark schematische Seitenansicht eines Rennrades oder Tourenrades als Zweirad 100, wobei das Fahrrad wiederum über ein erfindungsgemäßes Vorderrad 101 und ein erfindungsgemäßes Hinterrad 102 als Laufräder verfügt. Die Laufräder sind an den Ausfallenden 113 befestigt. Das Vorderrad und das Hinterrad 101, 102 weisen jeweils eine Felge 110 und erfindungsgemäße Speichen 1 auf. Die Speichen 1 sind aufgrund des Abbildungsmaßstabs nur schematisch dargestellt und werden mit Bezug auf die weiteren Figuren im Folgenden ausführlich erörtert.
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Die Räder 101 und 102 in den 1 und 2 weisen jeweils eine Mehrzahl an Speichen 1 auf. Die Speichen 1 sind mit den ersten bzw. nabenseitigen Enden 3 mit der Nabe 108 und mit den zweiten bzw. felgenseitigen Enden 4 mit der Felge 110 verbunden.
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In 3 und 4 ist eine erfindungsgemäße Speiche 1 eines Laufrades 101 oder 102 in einer Längsansicht und in einer Seitenansicht dargestellt.
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3 zeigt dabei eine schematische und insbesondere in Längsrichtung 5 nicht maßstäblich dargestellte Ansicht einer Speiche 1 in Fahrtrichtung. Quer zu der Darstellungsebene erstreckt sich die Längsebene 6, entlang derer ein mit einer solchen Speiche ausgerüstetes Fahrrad 100 bewegt wird.
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Die Speiche 1 verfügt an dem nabenseitigen Ende 3 über einen Speichenkopf 10 und an dem felgenseitigen Ende 4 über ein Außengewinde 9, welches zur Verschraubung mit einem hier in 3 nicht dargestellten Speichennippel dient.
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Das erste bzw. nabenseitige Ende 3 des Speichenkörpers 2 wird an der Nabe 108 befestigt und der Speichenkörper 2 erstreckt sich von der Nabe 108 aus nach außen zu dem zweiten bzw. felgenseitigen Ende 4, wo das Außengewinde 9 dann mit einem Speichennippel (nicht dargestellt) an der Felge 110 befestigt wird.
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Der Speichenkörper 2 verfügt hier über einen ersten Endabschnitt 11 benachbart zu dem ersten bzw. nabenseitigen Ende 3, einen ersten Mittelbereich 12, einen zweiten Mittelbereich 13 und einen zweiten Endabschnitt 14. Zwischen dem ersten Endabschnitt 11 und dem ersten Mittelbereich 12 ist ein Übergangsbereich 51 vorgesehen. Zwischen dem zweiten Mittelbereich 13 und dem zweiten Endabschnitt 14 ist ein Übergangsbereich 53 angeordnet. Zwischen dem ersten Mittelbereich 12 und dem zweiten Mittelbereich 13 kann ein Übergangsbereich 52 vorgesehen sein. Möglich ist auch eine Mehrzahl an Mittelbereichen oder ein kontinuierlicher Übergang.
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Möglich ist es auch, die Speiche 1 mit anderen Befestigungsmitteln als Speichenköpfen und Gewinden an den Endabschnitten 11 und 14 auszurüsten oder die Speiche über andere geeignete Befestigungsmittel an der Nabe bzw. der Felge zu befestigen. Vorzugsweise weist die Speiche 1 aber einen Speichenkopf an dem nabenseitigen Ende und ein Außengewinde an dem felgenseitigen Ende auf.
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Der erste Endabschnitt 11 und der zweite Endabschnitt 14 weisen hier jeweils rund ausgebildete Querschnitte 41 und 44 auf. Die Querschnitte 41 und 44 sind hier vorzugsweise gleich ausgebildet. Das bedeutet, dass die erste Endabschnittdicke 21 in dem ersten Endabschnitt 11 im Wesentlichen mit der zweiten Endabschnittdicke 24 an dem zweiten Endabschnitt 14 übereinstimmt.
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Im Vergleich dazu ist die erste Mittelbereichdicke 22 an dem ersten Mittelbereich 12 deutlich geringer. In einem konkreten Beispiel beträgt die erste Endabschnittdicke 21 hier 2,0 mm, sowie auch die zweite Endabschnittdicke 24 an dem zweiten Endabschnitt 14. Die erste Mittelbereichdicke 22 in dem ersten Mittelbereich 12 kann hingegen beispielsweise nur 1,0 oder etwa 1,2 mm betragen.
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Das Ausführungsbeispiel nach den 5 und 6 entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel nach den 3 und 4. Ein Unterschied ist, dass die Mittelbereiche 12 und 13 vor der Verprägung dünner gemacht wurden, sodass dort die Endabschnittdicke 21 auch 2,0 mm beträgt, während die Mittelbereichdicke 22 und 23 vor der finalen Formgebung auf 1,5 mm reduziert wurde. Deshalb sind in den 5 und 6 die Mittelbereichdicken und die Mittelbereichbreiten entsprechend geringer als in dem Ausführungsbeispiel nach den 3 und 4.
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In 3 und 4 beträgt die Mittelbereichdicke 22 etwa 1,0 bis 1,2 mm und die erste und die zweite Mittelbereichbreite betragen etwa 3,2 bis etwa 5 mm.
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In 5 und 6 betragen die Mittelbereichdicke 22 und 23 hingegen etwa 0,6 bis 0,8 mm und die erste und die zweite Mittelbereichbreite betragen etwa 2,8 bis etwa 4 mm.
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In dem zweiten Mittelbereich 13, der näher zu dem zweiten Endabschnitt 14 angeordnet ist als der erste Mittelbereich 12 weist der zweite Mittelbereich 13 einen deutlich anderen Querschnitt 43 auf. Der Querschnitt ist etwa tropfenförmig ausgestaltet, wobei das dickere Ende des Tropfens in Fahrtrichtung zeigt.
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In dem ersten Mittelbereich 12 näher an der Nabe liegen kleinere maximale Relativgeschwindigkeiten zur Umgebungsluft vor. Der Querschnitt 42 in dem ersten Mittelbereich 12 ist deshalb symmetrischer ausgebildet als in dem zweiten Mittelbereich 13. Der Querschnitt 42 ist symmetrisch zur Längsebene 6 und zur Querrichtung 68, sodass das vordere Ende der Speiche in Fahrtrichtung und das hintere Ende der Speiche dort gleich geformt sind.
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Der zweite Mittelbereich 13 liegt weiter außen und ist am oberen Ende fast der doppelten Fahrtgeschwindigkeit als Relativgeschwindigkeit zwischen Speiche und Umgebungsluft ausgesetzt. Da der Windwiderstand des Fahrrads nicht linear mit der Relativgeschwindigkeit zunimmt, sondern quadratisch und die benötige Leistung kubisch, trägt die besonders aerodynamische Gestaltung des zweiten Mittelbereichs erheblich zur Reduzierung des Luftwiderstandes bei.
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Im radial weiter inneren Bereich kann die (senkrecht!) zur Speichenoberfläche vorherrschende Relativgeschwindigkeit sogar kleiner null werden. Deshalb ist dort eine tropfenförmige Gestaltung sogar ungünstig, da auch negative Relativgeschwindigkeiten auftreten, die bei einer Tropfenform besonders ungünstig sind. Hier bietet ein symmetrisch und insbesondere punktsymmetrischer Querschnitt erhebliche Vorteile, da bei Positiv- und Negativgeschwindigkeiten gleichermaßen recht geringe Windwiderstände vorliegen.
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Zusätzlich eingezeichnet sind in 3 schraffiert die jeweiligen Querschnittsformen in den jeweiligen Abschnitten bzw. Bereichen. Klar erkennbar ist das in dem ersten Endabschnitt 11 ein im Wesentlichen rund ausgebildeter Querschnitt 41 vorliegt. Auch der Querschnitt 44 in dem zweiten Endabschnitt 14 ist im Wesentlichen rund ausgebildet.
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Im Unterschied dazu sind die Querschnitte 42 und 43 in dem ersten und zweiten Mittelbereich 12, 13 abgeflacht ausgebildet, wie sich aus den gestrichelt eingezeichneten Querschnitten 42 und 43 ergibt.
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4 zeigt eine schematische Seitenansicht der Speiche 1 aus 3, wobei sich aufgrund der rund ausgebildeten Endabschnitte 11 und 14 dort eine im Wesentlichen gleiche Ansicht ergibt.
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Erheblich unterschiedlich ist hingegen die Ansicht des ersten und zweiten Mittelbereichs 12 und 13, in denen die abgeflachten Querschnitte 42, 43 des ersten und zweiten Mittelbereichs 12, 13 von der Seite zu sehen ist. Während in dem ersten Endabschnitt 11 aufgrund der runden Ausgestaltungen die erste Endabschnittdicke 21 der ersten Endabschnittbreite 31 und in dem zweiten Endabschnitt 14 die zweite Endabschnittdicke 24 der zweiten Endabschnittbreite 34 entsprechen, so weichen die (erste) zweite Mittelbereichbreite (32) 33 doch erheblich von der (ersten) zweiten Mittelbereichdicke (22) 23 ab. Die Mittelbereichbreite 32, 33 betragen im Ausführungsbeispiel bis zu 5 mm und können damit mehr als doppelt so groß sein wie die erste oder zweite Mittelbereichdicke 22, 23 mit etwa 1 bis 1,2 mm.
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In den Übergangsbereichen 51, 53 erfolgt ein gradueller Übergang zwischen den jeweiligen Abschnitten bzw. Bereichen.
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Die Übergangsbereiche 51 und 53 sind in der Längsrichtung 5 des Speichenkörpers 2 erheblich kürzer ausgebildet als die Mittelbereiche 12 und 13 und hier auch kürzer als die Endabschnitte 11 und 14.
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Wenn zwei separierte Mittelbereiche 12 und 13 ausgebildet sind, kann dazwischen ein Übergangsbereich 52 vorgesehen sein, der eine Länge von z.B. 5 mm bis 10 mm aufweist. Auch ein kontinuierlicher Übergang ist bevorzugt.
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5 zeigt eine Längsansicht und 6 eine Seitenansicht einer weiteren Speiche 1, die aus einem zuvor in der Mitte dickenreduziertem Ausgangsmaterial hergestellt wurde. Die Länge 15 des zweiten Mittelbereichs 13 mit dem abgeflachten und etwa tropfenförmigen Querschnitt 43 liegt vorzugsweise zwischen etwa 2/3 und etwa 1/3 der Länge 8 eines Speichenkörpers 2. In einem konkreten Ausführungsbeispiel weist der zweite Mittelbereich 15 etwas mehr als die Hälfte der Länge des gesamten Speichenkörpers 2 auf. Die Ausgestaltung ist grundsätzlich wie in 3 und 4.
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Eine Länge 8 der gesamten Speiche 1, also von Endabschnitt 11 bis Endabschnitt 14 hängt vom Anwendungsfall und der Einbausituation ab. In einem konkreten Fall beträgt die Länge 8 des Speichenkörpers 290 mm, kann aber abhängig von Felge und Einbaulage etc. bis zu z. B. 10% oder 20% kürzer oder länger sein.
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In den Figuren ist auch der Querschnitt 41 aus dem ersten Endabschnitt 11 gestrichelt eingezeichnet. Aus dem ursprünglich in Längsrichtung homogenen Körper wird durch einen Bearbeitungsvorgang oder z. B. einen Ziehvorgang ein Körper hergestellt, der in den Mittelbereichen 12 und 13 einen reduzierten Querschnitt aufweist, während in dem ersten Endabschnitt 11 und dem zweiten Endabschnitt 14 noch der ursprüngliche Durchmesser erhalten bleibt. Anschließend wird in dem ersten und zweiten Mittelbereich 12, 13 der Speichenkörper 2 verprägt, sodass sich dort der abgeflachte Querschnitt 42, 43 ergibt.
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Insgesamt bietet die Erfindung erhebliche Vorteile. Während der Widerstandsbeiwert von Querschnittsformen wie Kreis und Ellipse für eine Anströmung von rechts und links der gleiche ist, ist es beim Stromlinienprofil entscheidend, aus welcher Seite die Anströmung kommt. Der benötigte Leistungsbedarf eines Körpers, um einen Strömungswiderstand zu überwinden, ist überproportional von der Geschwindigkeit abhängig. Der Widerstand, den der Fahrer bei der Fahrt überwinden muss, setzt sich aus mehreren Komponenten zusammen. Bei höheren Geschwindigkeiten entfällt dabei der größte Anteil auf den Luftwiderstand, der sich wiederum aus einem rotatorischen und einem translatorischen Anteil zusammensetzt.
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Die Bewegung des Fahrers und des sich nicht-drehenden Teils des Fahrrades ist lediglich eine Verschiebung in Fahrtrichtung. Die Bewegung der Laufräder hingegen ist eine Kombination aus Rotation und Translation. Für die Laufräder treten deshalb zwei Formen des Luftwiderstandes auf, der Translations- und der Rotationsluftwiderstand.
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Der Rotationsluftwiderstand entsteht dabei aus Druckwiderstandskräften an den Speichen sowie Reibungskräften auf den Oberflächen von Reifen, Felge, Speichen und Nabe. Das Produkt dieser Kräfte mit ihrem Abstand zur Drehachse des Laufrades liefert ein Widerstandsmoment, das die Drehung des Laufrades abbremst. Die Oberflächenreibung auf der Felge als Teil des Rotationsluftwiderstandes wirkt dabei ähnlich einer leicht schleifenden Bremse.
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Die Geschwindigkeit eines Punktes auf dem Laufrad ist abhängig von seinem Abstand zum Laufrad sowie der Winkelgeschwindigkeit des Laufrades.
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Für den Momentanpol selbst ist der Abstand null. Seine Geschwindigkeit ist folglich ebenfalls null. Die Geschwindigkeit am obersten Punkt des Laufrades beträgt - da dieser Punkt doppelt so weit entfernt vom Momentanpol liegt wie die Achse der Nabe - zwei Mal die Fahrgeschwindigkeit. Der Verlauf der Geschwindigkeit zwischen dem obersten und dem untersten Punkt des Laufrades ist proportional zum Abstand vom Momentanpol - also linear.
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Werden nun im nächsten Schritt beliebige Punkte auf den Speichen, die zwischen den horizontalen und vertikalen Speichen liegen betrachtet, so fällt Folgendes auf: definiert man die Seite, in die sich die obere vertikale Speiche bewegt als Vorderseite („V“ in der Abbildung), so bewegt sich die betrachtete Speiche in der oberen Radhälfte ebenfalls in Richtung ihrer Vorderseite, die Geschwindigkeit in einem Bereich der unteren Radhälfte hingegen weist in Richtung ihrer Hinterkante.
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Es ergibt sich: Je nachdem, wo sich die Speiche gerade befindet, bewegt sie sich in die Richtung ihrer Vorder- oder Rückseite.
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Oder, anders ausgedrückt: Auf der unteren Hälfte des Laufrades gibt es einen Bereich, in dem sich die Bewegungsrichtung der Speiche umkehrt.
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Da ein Rad kontinuierlich dreht, ist jede Position der Speiche als gleichwichtig anzusehen. Der Verlauf der Geschwindigkeit für jeden Punkt auf der Speiche entspricht einer Sinus-Funktion. Die höchste Geschwindigkeit tritt dabei für jeden Punkt auf der Speiche auf, wenn die Speiche sich in der oberen vertikalen Position (0°) befindet, die höchste negative Geschwindigkeit wenn die Speiche sich in der unteren vertikalen Position (180° befindet). Da die Geschwindigkeit vom Abstand zum Momentanpol abhängt, unterscheiden sich die maximalen positiven und negativen Geschwindigkeiten für verschiedene Punkte auf der Speiche. Ein Punkt am felgennahen Ende der Speiche ist weit entfernt vom Momentanpol, wenn sich die Speiche in der oberen vertikalen Position befindet - die Geschwindigkeit ist demnach sehr hoch. Wird hingegen die untere vertikale Speiche betrachtet, so hat dieser Punkt nur einen kleinen Abstand, nämlich die Höhe von Reifen- und Felge. Hier ist die Geschwindigkeit deshalb sehr gering. Ein Punkt am nabennahen Ende der Speiche ist das andere Extrem: sein Abstand zum Drehpunkt verändert sich nur gering, da er auf einem wesentlich kleineren Kreis um die Nabe rotiert. Die maximal auftretende positive und negative Geschwindigkeit sind deshalb in einer ähnlichen Größenordnung.
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Für symmetrische Körper hängt der Widerstand nicht davon ab, ob der Körper von rechts oder links angeströmt wird. Ist ein Körper allerdings nur in einer Richtung symmetrisch, so macht die Richtung der Anströmung einen Unterschied.
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In der Nähe der Nabe treten ähnlich große positive und negative Geschwindigkeiten auf. Das Profil sollte also von beiden Seiten ähnlich „windschlüpfrig“ sein. In der Nähe der Felge hingegen ist die größte positive Geschwindigkeit um ein vielfaches höher als die höchste negative Geschwindigkeit. Eine Verbesserung der Form für eine positive Anströmung bringt deshalb in einer gesamten Betrachtung einen Vorteil. Da die Geschwindigkeit in dritter Potenz in den aerodynamischen Leistungsbedarf eingeht, ist die Windschlüpfrigkeit in Richtung der positiven Geschwindigkeit als wesentlich wichtiger anzusehen als in Richtung der negativen Geschwindigkeit.
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Im Bereich der Nabe haben positive und negative Geschwindigkeiten eine vergleichbare Größenordnung. Hier ist es vorteilhaft, wenn die Aerodynamik des Speichenquerschnittes aus beiden Richtungen ähnlich gut funktioniert. Im Bereich der Felge hingegen ist die größte positive Geschwindigkeit wesentlich grösser als die größte negative Geschwindigkeit. Es bringt erheblichen Nutzen, wenn die eine Richtung aerodynamisch günstiger wird - auch wenn die andere Richtung dafür schlechter wird.
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Es ergibt sich, dass die größten negativen Geschwindigkeiten für Punkte in Nabennähe auftreten. Diese verfügen - wenn man nur den Bereich der negativen Geschwindigkeiten betrachtet - über den grössten Abstand zum Momentanpol.
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Wie für jeden Körper teilt sich auch bei der Speiche der Strömungswiderstand auf in den Druckwiderstand und den Reibungswiderstand. Letztgenannter ist maßgeblich von der Größe der Oberfläche und der Rauigkeit der Speichenoberfläche abhängig.
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Es ist vorteilhaft, wenn das Profil der Speiche in Nabennähe über eine ähnliche Aerodynamik für positive und negative Geschwindigkeiten verfügt. Aus diesem Grund wird für dieses Ende der Speiche vorzugsweise ein symmetrischer Querschnitt gewählt.
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Am der Felge zugewandten Ende der Speiche ist eine Optimierung der Querschnittsform für die positive Anströmung sinnvoll. Aus diesem Grund wird hier ein einachsig-symmetrisches Profil gewählt. Die Grundlage für die Formfindung kann dabei ein NACA-Aeroprofil sein.
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Da der Verlauf der Geschwindigkeit (senkrecht zur Speiche) zwischen den beiden Enden der Speiche linear ist, wird vorzugsweise auch ein linearer Verlauf der Querschnittsform gewählt.
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Vorteilhaft ist eine Speiche mit einem Speichenkörper mit einem zweiachsig-symmetrischen Profil in Nabennähe und einem einachsigsymmetrischen Profil in Felgennähe. Bevorzugt ist ein linearer Übergang zwischen den Profilen an den beiden Enden der Speiche. Vorzugsweise liegt (wenigstens in der Mitte) eine konstante Querschnittsfläche über den Verlauf der Speiche vor.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Speiche
- 2
- Speichenkörper
- 3
- nabenseitiges, erstes Ende
- 4
- felgenseitiges, zweites Ende
- 5
- Längsrichtung
- 6
- Längsebene
- 7
- Längsabschnitt
- 8
- Länge von 2
- 9
- Gewinde
- 10
- Speichenkopf
- 11
- erster Endabschnitt
- 12
- erster Mittelbereich
- 13
- zweiter Mittelbereich
- 14
- zweiter Endabschnitt
- 15
- Länge von 13
- 21
- erste Endabschnittdicke
- 22
- erste Mittelbereichdicke
- 23
- zweite Mittelbereichdicke
- 24
- zweite Endabschnittdicke
- 31
- erste Endabschnittbreite
- 32
- erste Mittelbereichbreite
- 33
- zweite Mittelbereichbreite
- 34
- zweite Endabschnittbreite
- 41
- Querschnitt
- 42
- Querschnitt
- 43
- Querschnitt
- 44
- Querschnitt
- 51
- Übergangsbereich
- 52
- Übergangsbereich
- 53
- Übergangsbereich
- 62
- Querschnitttyp
- 63
- Querschnitttyp
- 64
- erste Längshälfte
- 65
- zweite Längshälfte
- 66
- erste Dicke
- 67
- zweite Dicke
- 68
- Querachse
- 69
- Dicke
- 100
- Zweirad, Fahrrad
- 101
- Laufrad, Vorderrad
- 102
- Laufrad, Hinterrad
- 103
- Rahmen
- 104
- Gabel
- 105
- Dämpfer
- 106
- Lenker
- 107
- Sattel
- 108
- Nabe
- 109
- Speiche
- 110
- Felge
- 111
- Bremsscheibe
- 112
- Antrieb
- 113
- Ausfallende
