DE102019124145B4 - Fahrzeugrad und verfahren zur herstellung davon - Google Patents

Abstract

Ein Fahrzeugrad (100), das Folgendes beinhaltet:
einen ringförmigen Abschnitt (110), eine Vielzahl von Speichen (120) und
einen Nabenabschnitt (130), die durch Spritzgießen eines faserverstärkten oder Kohlenstoffnanoröhren enthaltenden Thermoplasts aus einem Stück gebildet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass jede der Vielzahl von Speichen (120) einen im Wesentlichen z-förmigen Querschnitt mit einem mittleren Schenkel (122) und
einem Paar äußere Schenkel (121, 123) beinhaltet, wobei der Winkel (γ), der von jedem des Paars äußere Schenkel (121, 123) und dem mittleren Schenkel (122) gebildet wird, größer als ein rechter Winkel ist;
wobei die Länge des mittleren Schenkels (122) von dem ringförmigen Abschnitt (110) zu dem Nabenabschnitt (130) hin zunimmt; und Abschnitt (110) zu dem Nabenabschnitt (130) hin zunimmt; vier Speichen (120) beinhaltet und die Enden der Schenkel (121, 122, 123) jeder Speiche (120) an dem Nabenabschnitt (130) verbunden sind, um Fenster (140) zu bilden, die zwischen dem ringförmigen Abschnitt (110) und Paaren benachbarter Speichen (125, 126) definiert sind und jeweils im Wesentlichen eine Ellipse (142) bilden, die eine Längsachse aufweist, die parallel zu einer Tangente durch einen Scheitelpunkt der Ellipse (142) an dem ringförmigen Abschnitt (110) verläuft.

Description

• Technisches Gebiet
• Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf das Gebiet der Räder für Fahrzeugräder und insbesondere auf ein einstückiges thermoplastisches Rad und ein Verfahren zum Herstellen des Rades. Das Rad beinhaltet eine Vielzahl von Speichen zwischen einer Nabe und einem ringförmigen Abschnitt und eignet sich besonders für Fahrräder, die erhöhten Lasten ausgesetzt sind, wie etwa Fahrräder mit Elektroantrieb oder Lastenfahrräder.
• Hintergrund
• In Anbetracht der wachsenden Bevölkerung in Städten besteht das Bedürfnis nach verbesserten Logistiksystemen in urbanen Gebieten. Aus Umweltsicht besteht ferner das Bedürfnis, den Kohlendioxidausstoß zu reduzieren und nachhaltigere Verkehrslösungen zu entwickeln. Eine Möglichkeit, die urbane Mobilität zu verbessern, ist ein Angebot der gemeinsamen Nutzung von Fahrrädern, Flottenfahrrädern, Lastenfahrrädern, Pedelecs oder Elektrofahrrädern. Insbesondere wenn die Fahrzeugräder konfiguriert sind, um Lasten zu tragen oder elektrischen Strom zu nutzen, der beispielsweise von einem Motor und einer Batterie erzeugt wird, erhöhen sich die Lasten auf das System im Vergleich zu herkömmlichen Fahrrädern.
• Aus der US 2 042 160 A sind Metallgussräder für Eisenbahnfahrzeuge bekannt. Die EP 1 083 063 A2 lehrt ein Spritzguss- oder Druckguss-Laufrad u.a. aus Aluminium mit möglichst geringem Gewicht. Ein spritzgegossenes Laufrad aus Kunststoff ist aus der DE 10 2016 110 280 A1 bekannt. Es ist bekannt, dass Fahrzeugräder insbesondere für Fahrräder ein geringes Gewicht aufweisen sollten. Die Kräfte, die auf ein Fahrzeugrad ausgeübt werden, können jedoch sehr groß sein. Es besteht daher das Bedürfnis nach einer erschwinglichen technischen Lösung, die ausreichend formfeste und gleichzeitig stabile Fahrzeugräder, insbesondere Fahrradräder, bereitstellt. Üblicherweise wird für eine verbesserte Materialstärke Material hinzugefügt und damit das Gewicht erhöht. Die US 4 930 844 A offenbart beispielsweise spritzgegossene Laufräder, die zur Verbesserung der Stabilität eine mit der Felge verbundenen Metallring aufweist.
• In dem Fall von Fahrradrädern werden gewöhnlich Speichen verwendet, um die Kräfte zwischen einem ringförmigen Felgenabschnitt und einer Nabe zu übertragen. Typischerweise entspricht eine höhere Anzahl Speichen einer größeren Radstärke und eine geringere Anzahl Speichen entspricht einer leichteren Radanordnung. Ein Fahrradrad mit einer geringeren Speichenzahl muss jedoch immer noch so konstruiert sein, dass es Lasten, die mit dem Betrieb des Fahrrades assoziiert sind, tragen kann, um einen Defekt zu vermeiden, insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten oder großen Lasten, wenn Fahrzeuge mit Elektroantrieb oder lasttragende Fahrräder verwendet werden.
• Ein Ziel oder Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben genannten Probleme in dem Stand der Technik zu überwinden und ein Kunststoffrad bereitzustellen, das ausgezeichnete mechanische Eigenschaften aufweist, und gleichzeitig ein Produkt mit geringem Gewicht bereitzustellen. Ein weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Systems, das die mechanische Festigkeit und Flexibilität bei Überlastungsspitzen verbessert und beispielsweise eine Kerbspannung vermeidet. Zudem ist es eine Aufgabe eine Kraft bei vertikalen Stoßeinwirkung in einem Teilabschnitt zwischen zwei benachbarten Speichen optimal zu absorbieren.
• Weitere Ziele oder Aufgaben sind die Bewältigung des Problems der Relaxation und des Kriechens von Thermoplastmaterial und das Bereitstellen einer sicheren und stabilen Verbindung zwischen der Nabe und einer anderen Komponente wie etwa einer Achse, einem Elektromotor, einem Nabendynamo, einem Freilauf oder einer Nabenschaltung. Besonders bei einem Rad für Fahrräder mit Elektroantrieb, bei denen der Motor in der Nabe des Rades positioniert ist, ist es ferner wünschenswert, die Wärmeableitung oder Isolierung eines Elektromotors zu verbessern.
• Schließlich sollte neben dem bemerkenswerten Vorteil des reduzierten Gewichts und der verstärkenden Struktur auch die Möglichkeit der Massenproduktion des Rades gesichert sein. Diese Eigenschaft ist vorteilhaft für die Kostensenkung und die Herstellung von Flottenfahrrädern. Die Räder sollten ferner langlebig und einfach zu warten sein.
• Zusammenfassung der Erfindung
• Die oben stehenden Ziele und Aufgaben werden erreicht durch ein Fahrzeugrad gemäß Anspruch 1, das besonders geeignet ist für Fahrräder, Elektrofahrräder und Lastenfahrräder und das einen ringförmigen Abschnitt, eine Vielzahl von Speichen und einen aus einem Stück gebildeten Nabenabschnitt, der durch Spritzguss von Thermoplast, der faserverstärkt ist oder Kohlenstoffnanoröhren enthält, gebildet wird, beinhaltet, wobei jede der Vielzahl von Speichen einen im Wesentlichen z-förmigen Querschnitt mit einem mittleren Schenkel und einem Paar äußere Schenkel beinhaltet, wobei der Winkel (γ), der von jedem des Paars äußere Schenkel und dem mittleren Schenkel gebildet wird, größer als ein rechter Winkel ist und wobei die Länge des mittleren Schenkels von dem ringförmigen Abschnitt zu dem Nabenabschnitt hin zunimmt. Dabei beinhaltet das Fahrzeugrad mindestens vier Speichen und die Enden der Schenkel jeder Speiche an dem Nabenabschnitt sind verbunden, um Fenster zu bilden, die zwischen dem ringförmigen Abschnitt und Paaren benachbarter Speichen definiert sind und jeweils im Wesentlichen eine Ellipse bilden, die eine Längsachse aufweist, die parallel zu einer Tangente durch einen Scheitelpunkt der Ellipse an dem ringförmigen Abschnitt verläuft. Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Herstellen des Fahrzeugrades bereit. Andere Merkmale und vorteilhafte Ausführungsformen des Fahrzeugrades und der Herstellung desselben sind in den abhängigen Ansprüchen genauer dargelegt. Die Erfindung wird durch die nachfolgende Beschreibung und die begleitenden Zeichnungen besser verständlich.
• Ein charakteristisches Merkmal des Fahrzeugrades ist, dass jede der Vielzahl von Speichen einen im Wesentlichen z-förmigen Querschnitt mit einem mittleren Schenkel und einem Paar äußere oder seitliche Schenkel beinhaltet, wobei der Winkel (γ), der von jedem des Paars äußere Schenkel und dem mittleren Schenkel gebildet wird, größer als ein rechter Winkel ist und wobei die Länge des mittleren Schenkels von dem ringförmigen Abschnitt zu dem Nabenabschnitt hin zunimmt. Das schräge Z-Profil jeder Speiche ermöglicht eine Konstruktionsweise der Speichen mit geringem Gewicht und trägt zur Stabilität des Rades bei.
• Die Verwendung eines Z-Profils ermöglicht die Verlängerung der Länge der Verbindungslinie der Speiche mit dem ringförmigen Abschnitt, entlang der Kräfte zwischen der Nabe und der Felge des ringförmigen Abschnitts übertragen werden. Die Felge ist der Teil des Rades, an dem ein Reifen wie etwa ein schlauchförmiger Reifen oder ein Drahtreifen montiert ist. Ferner erhöht die vergrößerte Breite des mittleren Schenkels des Z-Profils zu der Nabe hin die Stabilität noch weiter. Auf diese Weise kann die große vertikale Stoßlast, die beispielsweise in dieselbe Richtung gerichtet ist wie die Längsachse einer Speiche, wie es etwa beim Fahren über Schlaglöcher der Fall ist, ausgehalten werden.
• Je nach verwendetem Material und gewünschter Stabilität liegt das Gewicht eines 24-Zoll-Rades in dem Bereich von 900 g bis 2000 g, vorzugsweise zwischen 900 g oder 1000 g und einem Maximalgewicht von 1250 g. Die angegebene Gewichtsspanne ist das Gewicht eines verstärkten Thermoplasts ohne mögliche zusätzliche Einsätze wie etwa ein Metalleinsatzstück oder dergleichen.
• Im Gegensatz zu herkömmlichen Metallfahrrädern mit mehr als 30 Speichen reduziert die technische Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von verstärktem Thermoplast die Anzahl Teile und Komponenten bedeutend und ermöglicht eine große Gestaltungsfreiheit. Durch die Verwendung von Thermoplast können Gestaltungsmöglichkeiten wie etwa die Farbgestaltung verbessert werden und es ist beispielsweise möglich, dem mit Kohlenstoff oder Glasfasern verstärkten Material reflektierende Materialien hinzuzufügen. Die Fertigung von Fahrzeugrädern aus Thermoplastmaterialien wie etwa Polymeren ermöglicht das Gießen in Einspritzwerkzeuge mittels Spritzgussverfahren und dadurch das Bereitstellen einer effizienten Herstellung von Fahrzeugrädern, die recycelt werden können.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der mittlere Schenkel des Z-Querschnitts in Bezug auf die Drehachse des Rades abgewinkelt (α).
• Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung beinhaltet jeder der äußeren Schenkel mindestens einen gekrümmten Abschnitt, der zu dem mittleren Schenkel hin gerichtet ist.
• Indem sie einen oder mehrere gekrümmte Abschnitte aufweisen, können die äußeren Schenkel zwei äußerer Schenkel benachbarter Speichen an dem Nabenabschnitt mindestens teilweise sinusförmig miteinander verbunden sein und so einen nahtlosen Übergang zwischen den Speichen bereitstellen. Des Weiteren kann ein gekrümmter Abschnitt an einem Schnittpunkt eines äußeren Schenkels mit dem mittleren Schenkel bereitgestellt werden, um dadurch eine abgerundete Ecke zu bilden. Diese kontinuierliche Verbindungsstelle verringert Belastungsspitzen wie etwa Kerbspannung während der späteren Verwendung. Des Weiteren wird die Herstellung des Fahrzeugrades unter Verwendung von Spritzguss mit Einspritzwerkzeugen vereinfacht, da scharfe Kanten und Hinterschnitte vermieden werden.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung nimmt der Radius des gekrümmten Abschnitts zu dem ringförmigen Abschnitt hin zu. Auf diese Weise flacht die Krümmung der gekrümmten Schenkel ab, sodass sich die Endabschnitte der abgeflachten äußeren Schenkel der Mittelachse des ringförmigen Abschnitts nähern können. Dadurch kann der Z-Querschnitt nicht nur eine hohe vertikale Stabilität, sondern auch eine hohe laterale Stabilität bereitstellen. Bei einer Bewegung auf einem gekrümmten Weg oder bei Kollisionen mit beweglichen oder unbeweglichen Objekten von der Seite, etwa bei Unfällen, treten derartige Seitenkräfte (siehe Pfeil 154 in 3b) üblicherweise in der Nähe des ringförmigen Abschnitts oder an der Kante der Felge auf.
• Simulationsergebnisse zeigten, dass die Sicherheitsanforderungen für Fahrräder gemäß den standardisierten Normen wie etwa DIN EN ISO 4210.6:2012-11 mit einer Seitenlast von 370 N mit dem Fahrzeugrad und dem geometrischen Aufbau der Speichen der vorliegenden Erfindung erfüllt werden können. Des Weiteren zeigten die Ergebnisse der Simulation bei einer Temperatur von 80 °C, dass bei Fahrrädern mit beidseitiger Aufhängung vertikale Stoßlasten von bis zu 4000 N absorbiert werden können. Das Rad gemäß der Erfindung erfüllt daher die hohen Sicherheitsanforderungen
• Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung weisen die gekrümmten Abschnitte der äußeren Schenkel einen Radius (r1) in einem Bereich zwischen 3 und 20 mm auf und jeder z-förmige Querschnitt weist eine Wanddicke (S) in einem Bereich zwischen 1,5 und 5 mm, vorzugsweise zwischen 2,5 und 3 mm, auf.
• Die oben stehenden ausgezeichneten Stabilitätseigenschaften in vertikaler und lateraler Richtung, die ferner die Absorption von durch Bremsen oder Beschleunigen des Fahrrades erzeugten Drehmomenten umfassen, können durch die oben erwähnten relativ geringen Wanddickenbereiche der Speichen erreicht werden.
• Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung nimmt die Länge der äußeren Schenkel zu dem Bereich für die Verbindung mit dem ringförmigen Abschnitt hin kontinuierlich zu, um die Linie, entlang der das Z-Profil mit dem ringförmigen Abschnitt verbunden ist, zu erweitern. Auf diese Weise kann die Stabilität des Rades noch weiter erhöht werden.
• Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist der z-förmige Querschnitt jeder Speiche so konfiguriert, dass er torsionselastisch ist, um eine Last zu kompensieren, die im Wesentlichen vertikal zu der äußeren Peripherie des ringförmigen Abschnitts in einem Teilabschnitt zwischen zwei benachbarten Speichen gerichtet ist.
• Einer der kritischen Punkte bei dem Betrieb eines Rades mit einer Speichenzahl, die unter dem normalen Wert liegt, und bei dem vertikale Stoßlasten auftreten, ist die Tatsache, dass es Teilabschnitte des ringförmigen Abschnitts gibt, an denen keine Speichen verbunden sind, und dass daher in diesem Bereich lokale Lastspitzen vorliegen. Dieses Problem wird von der vorliegenden Erfindung mittels der z-förmigen Speichen angegangen, die konfiguriert sind, um elastisch zu reagieren, wenn Kräfte in Bezug auf einen speichenlosen Teilabschnitt des ringförmigen Abschnitts vertikal gerichtet sind. Mit anderen Worten, das Fahrzeugrad gemäß der Erfindung basiert auf dem elastischen Biegen von Bauteilen, d. h. jedem äußeren Schenkel eines Paars benachbarte z-förmige Speichen, sodass die durch die vertikalen Stoßlasten auf den speichenlosen Teilabschnitten des ringförmigen Abschnitts ausgeübte Energie effizient abgeführt werden kann.
• Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung sind die äußeren Schenkel jedes Z-Querschnitts so konfiguriert, dass eine Verbiegung in die Richtung einer Krümmung ermöglicht wird.
• In dem Fall einer vertikalen Stoßeinwirkung zwischen zwei Speichen, wenn die Kraft in derselben Entfernung zu jeder der benachbarten Speichen ausgeübt wird, verbiegen sich die einander zugewandten äußeren Schenkel analog einer Drehstabfeder und verteilen die Last der vertikalen Stoßeinwirkung gleichmäßig auf beide Speichen.
• Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung beinhaltet das Rad mindestens vier Speichen und die Enden der Schenkel jeder Speiche sind an der Nabe verbunden, um halbkreisförmige oder mindestens teilweise elliptische Fenster, die zwischen dem ringförmigen Abschnitt und Paaren benachbarter Speichen definiert sind, zu bilden.
• Das Rad beinhaltet mindestens vier Speichen, vorzugsweise 6 Speichen. Auf diese Weise ist der geometrische Aufbau der Fenster zwischen zwei Speichen halbkreisförmig oder mindestens teilweise elliptisch, sodass Kerbspannung vermieden werden kann. Besonders in dem Fall, in dem der geometrische Aufbau des Nabenabschnitts so konfiguriert ist, dass größere Komponenten wie etwa ein Elektromotor aufgenommen werden können, sind die Fenster im Wesentlichen elliptisch mit einer Längsachse, die parallel zu einer Tangente durch den Scheitelpunkt an dem ringförmigen Abschnitt verläuft.
• Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung beinhaltet der Nabenabschnitt einen Metalleinsatz oder einen Kunststoffeinsatz, das durch Spritzguss oder durch die Nutzung von Restwärme des mittels Spritzguss hergestellten Nabenabschnitts verbunden wird und konfiguriert ist, um mindestens eines von einer Achse, einem Elektromotor, einem Nabendynamo, einer Nabenschaltung einem Freilauf oder einem Radlager zu halten, wobei die Radaufhängung einseitig oder beidseitig konfiguriert sein kann.
• Auf diese Weise kann das Fahrzeugrad sicher mit verschiedenen Komponenten verbunden werden. Es ist anzumerken, dass das Fahrzeugrad mit einem Einsatz trotzdem ein geringes Gewicht aufweist. In dem Fall eines Rades für einen 24-Zoll-Reifen liegt das Gewicht eines Rades mit einem Metalleinsatz in dem Bereich zwischen 1200 g und 1450 g. Als Metall kann beispielsweise Stahl verwendet werden.
• Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung beinhaltet der Metalleinsatz Öffnungen für eine Spritzguss- und Formschlussverbindung.
• Auf diese Weise wird die Verbindung des Metalleinsatzes verbessert. Diese Öffnungen können verschiedene Formen aufweisen, etwa eine Tropfenform. Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist der Nabenabschnitt pseudopentagonal oder pseudohexagonal mit abgerundeten Ecken geformt und weist auf einer Seite einen radial nach innen gerichteten Rand oder einen radial nach innen gerichteten Flansch zum Montieren eines Elektromotors auf, wobei jede der Ecken ein sich vertikal erstreckendes Paar Rippen zum Führen der Verbindungselemente und zum Bilden eines Luftspalts, wenn der Elektromotor montiert ist, beinhaltet.
• Mittels des Bereitstellens eines Luftspalts wird eine Isolierung gegen die Wärme, die möglicherweise von dem montierten Elektromotor erzeugt wird, bereitgestellt.
• Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung weist der faserverstärkte Thermoplast einen Glasfasergehalt von 20 bis 65 Gew.-% auf und der Thermoplast ist ausgewählt aus PA6, PA6.6 oder einer Mischung davon.
• Diese Polymere und Mischungen aus PA6 und PA6.6 weisen ein gutes Fließverhalten auf und können einfach verarbeitet werden, sodass sie gut auf belastete Funktionsteile wie etwa Fahrzeugräder angewandt werden können. Das Material des hergestellten Rades ist stabil in einem Temperaturbereich von -20 °C bis 80 °C. Die Erfinder haben dazu Untersuchungen angestellt und fanden in Experimenten heraus, dass insbesondere ein Gemisch aus PA6 und PA6.6, das 30 % Glasfasern beinhaltet, für das Fahrzeugrad geeignet ist. Geeignete glasfaserverstärkte Thermoplaste sind im Handel beispielsweise unter dem Handelsnamen Grivory® bei EMS-Grivory, EMS Chemie AG, Schweiz, erhältlich.
• Simulationen des Verhaltens des Fahrzeugrades mit einer Mischung aus PA6 und PA6.6 mit 30 % Glasfaser, wie bereitgestellt von EMS-Grivory® unter dem Namen Grilon TSG-30 (TS = PA66 + PA6; G = glasfaserverstärkt), zeigten, dass auch bei einer Materialtemperatur von 80 °C und angenommenen ausgeübten Kräften, die eine aus einer vertikalen Stoßeinwirkung von 4000 N, einem Bremsdrehmoment von 305 N und einer Seitenlast von 370 N gemäß EN ISO 4210-6:2012-11 beinhalten, keine bleibende Verformung des Materials auftrat. Eine etwaige festzustellende geringfügige Verformung des Rades trat innerhalb der Elastizitätsgrenze des Materials auf.
• Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung weist ein bevorzugter glasfaserverstärkter oder kohlenstoffnanoröhrenhaltiger Thermoplast eine Zugspannung bei Bruch von 100 MPa bis 300 MPa und einen E-Modul von mindestens 6000 MPa bis 30 GPa, vorzugsweise 15 GPa bis 25 GPa, auf. Die Zugfestigkeit und der E-Modul entsprechen der europäischen Norm EN ISO 527.
• Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung beinhaltet der ringförmige Abschnitt eine Felge mit einem symmetrischen Profil, die zwei auseinanderlaufende Schenkel aufweist, die sich radial nach außen richten, wobei jeder Endabschnitt einen aus einem Stück gebildeten Felgenflansch, der sich nach innen zu der Symmetrieachse des Profils hin erstreckt, aufweist.
• Basierend auf dieser Felgenkonstruktionsweise bildet die Felge ein offenes Hohlprofil in der nach außen gerichteten radialen Richtung, die als V-förmige, U-förmige, trapezförmige oder gekrümmte Form mit einer Vielzahl von gekrümmten Abschnitten an jedem Schenkel konfiguriert werden kann. Mittels des vorstehenden Felgenflansches können Drahtreifen gehalten werden. Diese Reifen weisen einen Draht- oder Aramidfaserwulst auf, der mit Flanschen in den Felgen verriegelt wird.
• Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Fahrzeugrades bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte beinhaltet: Spritzgießen eines faserverstärkten oder kohlenstoffnanoröhrenhaltigen Thermoplasts, um einen einstückigen Körper, der einen ringförmigen Abschnitt, eine Vielzahl von Speichen und einen Nabenabschnitt beinhaltet, aus einem Stück zu bilden, wobei die Vielzahl von Speichen einen im Wesentlichen z-förmigen Querschnitt mit einem mittleren Schenkel und einem Paar äußere Schenkel bilden, wobei der Winkel (γ), der von jedem des Paars äußere Schenkel und dem mittleren Schenkel gebildet wird, größer als ein rechter Winkel ist; und
  wobei die Länge des mittleren Schenkels von dem ringförmigen Abschnitt zu dem Nabenabschnitt hin zunimmt.
• Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung beinhaltet das Verfahren ferner Folgendes: Verbinden eines Einsatzes aus Metall oder Kunststoff mit dem Nabenabschnitt durch Spritzguss durch die Öffnungen des Einsatzes und Hinterspritzen mindestens eines Teils des Einsatzes in einer kraftschlüssigen und/oder formschlüssigen Weise.
• Auf diese Weise kann der Einsatz an dem Nabenabschnitt unbeweglich festgemacht werden.
• Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung beinhaltet das Verfahren ferner Folgendes: Bereitstellen und Extrahieren einer Vielzahl von radial angeordneten Schiebern mit einem Faltkern in dem Einspritzwerkzeug, um einen ringförmigen Abschnitt zu bilden, der eine Felge mit einem symmetrischen Profil beinhaltet, die zwei radial nach außen gerichtete auseinanderlaufende Schenkel aufweist, wobei jeder Endabschnitt einen aus einem Stück gebildeten Felgenflansch, der sich nach innen erstreckt, aufweist.
• Ein weiterer Vorteil des Herstellungsverfahrens für Räder gemäß der Erfindung ist die Tatsache, dass die Herstellung auf sämtliche herkömmliche Abmessungen und Felgenabmessungen für Fahrräder und Lastenfahrräder, wie beispielsweise durch die ETRTO (Europäische Reifen- und Felgen-Sachverständigenorganisation) vorgegeben, skalierbar ist. Bevorzugte nominelle Raddurchmesser sind jene, die für Reifenabmessungen von 16 bis 28 Zoll, bevorzugter 18 bis 26 Zoll, noch bevorzugter 20 bis 26 Zoll und am bevorzugtesten 20 bis 24 Zoll, geeignet sind. Die Felgenbreite (Breite des Hohlprofils) beträgt vorzugsweise 14 bis 35 mm, noch bevorzugter 25 bis 32 mm. In dem Fall von Drahtreifen misst die äußere Reifenbreite vorzugsweise 2,3 Zoll und kann beispielsweise mit einem äußeren Reifendurchmesser von 24 Zoll kombiniert werden.
• Kurzbeschreibung der Figuren
• Die begleitenden Figuren veranschaulichen beispielhafte Ausführungsformen der Offenbarung und dienen zur Erklärung der Grundlagen der Offenbarung anhand von Beispielen und es ist nicht beabsichtigt, dass diese maßstabsgetreu gezeichnet sind.
• Die Figuren sind eingeschlossen, um eine Veranschaulichung und ein besseres Verständnis der verschiedenen Aspekte und Ausführungsformen bereitzustellen, aber es ist nicht beabsichtigt, dass diese die Offenbarung auf die in den Figuren veranschaulichten Ausführungsform beschränkt oder maßstabsgetreu sind. Wo technische Merkmale in den Figuren oder der detaillierten Beschreibung von Bezugszeichen gefolgt sind, wurden die Bezugszeichen einzig zum Zweck der Verbesserung der Verständlichkeit der Figuren und der Beschreibung eingeschlossen. Aus Gründen der Klarheit wurde möglicherweise nicht jede Komponente in jeder Figur bezeichnet.
• 1a zeigt eine Draufsicht des Fahrzeugrades gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
• 1b zeigt eine Schnittansicht einer Speiche des Fahrzeugrades;
• 1c zeigt schematisch eine einzelne Speiche;
• 2a zeigt eine andere Ansicht des Fahrzeugrades;
• 2b zeigt einen Ausschnitt aus 2a;
• 2c zeigt vier Querschnitte der Speiche, wie in 2a angegeben;
• 2d zeigt Einzelheiten von zwei Querschnitten der Speiche;
• 3a zeigt einen zu der Radscheibe vertikal verlaufenden Schnitt entlang einer Speiche;
• 3b zeigt auf das Rad ausgeübte Kräfte schematisch;
• 4a zeigt eine zwischen zwei Speichen ausgeübte vertikale Kraft schematisch;
• 4b zeigt die Torsion eines z-förmigen Querschnitts der Speiche schematisch;
• 5a zeigt die Herstellung des ringförmigen Abschnitts schematisch;
• 5b zeigt zwei Querschnitte des ringförmigen Abschnitts, der in 5a gezeigt ist;
• 5c zeigt einen ringförmigen Abschnitt, wobei ein Reifen in das Hohlprofil der Felge eingesetzt ist;
• 6a bis 6c zeigen eine Draufsicht auf das Hohlprofil der Felge und detaillierte Ansichten des Ventilanschlussstücks;
• 7 zeigt eine Achse mit Gehäuse, die in den Nabenabschnitt eingesetzt werden soll, schematisch;
• 8 zeigt eine perspektivische Ansicht des Fahrzeugrades;
• 9a bis 9d zeigen Querschnitte und Einzelheiten des Fahrzeugrades und des Nabenabschnitts, einschließlich eines Einsatzes;
• 10a und 10b zeigen eine Draufsicht und eine Seitenansicht des Einsatzes;
• 11a und 11b zeigen eine schematische perspektivische Ansicht und eine Explosionsansicht;
• 12a bis 12c zeigen Querschnitte des Nabenabschnitts;
• 13a und 13b zeigen aerodynamische Ströme eines sich drehenden Rades schematisch; und
• 14a bis 14c zeigen einseitige und beidseitige Aufhängungen.
• Detaillierte Beschreibung der Figuren
• 1 zeigt eine Draufsicht eines Fahrzeugrades 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Fahrzeugrad besteht aus nur einem Stück, das sich in drei Hauptabschnitte aufteilen lässt:
• den ringförmigem Abschnitt 110, eine Vielzahl von Speichen 120 und den Nabenabschnitt 130.
• Die in 1a gezeigte Ansicht des Fahrzeugrades veranschaulicht die Seite, wobei der Nabenabschnitt 130 konfiguriert ist, um eine Achse (nicht gezeigt) und optional andere Komponenten 160 wie etwa einen Elektromotor, einen Nabendynamo, eine Nabenschaltung, einen Freilauf oder ein Radlager aufzunehmen. Demgemäß kann das Fahrzeug für bestimmte Zwecke verwendet werden, etwa für Fahrräder, bei denen ein Elektromotor in dem Zentrum des Rades positioniert ist, sowie für lasttragende Zwei- oder Dreiräder.
• Ein charakteristisches Merkmal des Fahrzeugrades ist, dass jede der Vielzahl von Speichen einen im Wesentlichen z-förmigen Querschnitt mit einem mittleren Schenkel 122 und einem Paar äußere Schenkel 121 und 123 beinhaltet. Des Weiteren nimmt die Breite des mittleren Schenkels 122 von dem ringförmigen Abschnitt zu dem Nabenabschnitt 130 hin zu. Daher verjüngt sich die Speiche in Richtung des ringförmigen Abschnitts oder der Felge. Dieser geometrische Aufbau wird durch die gekrümmten Punkt-Strich-Linien in 1b veranschaulicht, die eine Schnittansicht einer Speiche 120 des Fahrzeugrades 100 zeigt. Des Weiteren veranschaulicht die weiße Punkt-Strich-Linie in 1c den erweiterten Querschnitt, der durch das Z-Profil der Speiche 120 umgesetzt wird und der ermöglicht, dass die Speiche große Lasten von der Felge 110 zu der Nabe 130 und umgekehrt überträgt.
• 2a zeigt eine Darstellung der gegenüberliegenden Seite in Bezug auf die in 1a gezeigte Ansicht des Fahrzeugrades 100. Jedes Paar benachbarte Speichen 125, 126 und der jeweilige Teilabschnitt des ringförmigen Abschnitts 110, der sich zwischen den Schnittpunkten jeder Speiche mit der Felge erstreckt (siehe Bezugsnummern 128 und 116), definiert ein Fenster 140. Das Fenster bildet im Wesentlichen eine Ellipse mit der Länge b3 und der Breite h3, wie in 2b gezeigt. Dieses Fenster 140 bildet auch einen im Wesentlichen halbkreisförmigen Teilabschnitt, der mit Radius r3 angegeben ist und durch die äußeren Seitenschenkel 123, 121 des Paars benachbarte Speichen 125, 126 definiert ist. Die äußeren Schenkel 123, 121 sind nahe dem Nabenabschnitt 130 miteinander verbunden.
• Die in 2a gezeigte Ausführungsform weist 6 Speichen und einen pseudohexagonalen Nabenabschnitt 130 mit einem Radius 131, der sich von der Drehachse 137 des Fahrzeugrades zu der Außenkante der abgerundeten Ecke 132 des Pseudohexagons erstreckt, auf. Demgemäß weisen die Speichen vorzugsweise dieselbe Entfernung von benachbarten Speichen auf. Alternative Konstruktionsweisen mit 3 bis 5 Speichen sind ebenfalls möglich. Der geometrische Aufbau des Nabenabschnitts 130 ist so konfiguriert, dass größere Komponenten wie ein Elektromotor aufgenommen werden können. Basierend auf diesem geometrischen Aufbau des Nabenabschnitts 130 ist die Ellipse des Fensters 140 im Wesentlichen elliptisch, wobei sie eine Längsachse aufweist, die parallel zu einer Tangente durch den Scheitelpunkt an dem ringförmigen Abschnitt 130 verläuft.
• Des Weiteren gibt 2a durch unterbrochene Linien 4 Schnitte A-A, B-B, C-C und D-D der Speiche 125 an, die beispielsweise 30 mm voneinander entfernt liegen können. Diese Querschnitte sind in 2c beziehungsweise 2d gezeigt. Sie zeigen, dass alle vier z-förmigen Querschnitte punktsymmetrisch sind, wobei das Symmetriezentrum P am Schnittpunkt der vertikalen Achse (gestrichelte Linie) und der Längsachse des mittleren Schenkels 122 liegt.
• Die gestrichelte Linie jedes Querschnitts ist parallel zu der Drehachse des Rades. Das heißt, dass der mittlere Schenkel 122 in Bezug auf die Drehachse des Fahrzeugrades abgewinkelt (α) ist. Dieses schiefwinklige Z-Profil bildet im Vergleich zu der Mittelebene der Radscheibe eine flachere Speiche als ein Z-Profile mit einem mittleren Schenkel, der sich parallel zu der Drehachse 137 erstreckt und vertikal zu der Mittelebene der Radscheibe ist. In diesem Zusammenhang bezeichnet „Radscheibe“ den Teil eines Rades, der ein Trägerelement zwischen der Achse oder dem Nabenabschnitt und der Felge beinhaltet. Das Verflachen des z-förmigen Querschnitts mittels Neigen des mittleren Schenkels 122 sowie des Krümmens der äußeren Schenkel 121, 123 zu dem mittleren Schenkel 122 hin ist besonders vorteilhaft an der Verbindungslinie des ringförmigen Abschnitts, der nur eine beschränkte Breite aufweist.
• Jeder der äußeren Schenkel 121, 123 beinhaltet mindestens einen gekrümmten Abschnitt, der zu dem mittleren Schenkel 122 hin gerichtet ist, wobei der Radius (r1, siehe auch 2d) des gekrümmten Abschnitts zu dem ringförmigen Abschnitt hin zunimmt. Vorzugsweise weisen die gekrümmten Abschnitte einen Radius (r1) in einem Bereich zwischen 3 und 20 mm auf. Zudem ist der Übergang von den äußeren oder seitlichen Schenkeln zu den mittleren Schenkeln abgerundet, um die Kerbspannung zu reduzieren.
• Schnitte C-C und B-B stellen den mittleren Abschnitt der Speiche 120 dar und deren Z-Profile weisen kürzere Längen auf als jene der Schnitte A-A und D-D. Des Weiteren nimmt die Länge des mittleren Schenkels von dem ringförmigen Abschnitt zu dem Nabenabschnitt hin zu (von Schnitt D-D zu A-A).
• 2d zeigt Einzelheiten der Schnitte A-A und D-D, die nahe an dem Nabenabschnitt beziehungsweise dem ringförmigen Abschnitt liegen. Der Winkel (γ), der von jedem des Paars äußere Schenkel 121, 123 und dem mittleren Schenkel 122 umschlossen wird, ist größer als ein rechter Winkel, wobei die Länge des mittleren Schenkels von dem ringförmigen Abschnitt zu dem Nabenabschnitt hin zunimmt.
• 2d gibt des Weiteren die Dicke S der Wand des mittleren Schenkels 122 an. Die Dicke jedes Schenkels ist entlang der Speiche konstant. Wie zu sehen ist, bilden die Z-Profile Festkörperspeichen und sind nicht als hohle Speichen gebildet. Demgemäß kann durch Bereitstellen relativ dünner Wände Gewicht eingespart werden. Vorzugsweise weist jeder z-förmige Querschnitt eine Wanddicke S in dem Bereich zwischen 1,5 und 5 mm, vorzugsweise zwischen 2,5 und 3 mm, auf.
• 2d zeigt in Schnitt D-D, der nahe an dem ringförmigen Abschnitt 110 liegt, die Ausdehnung t1, die parallel zu der Felgenbreite liegt, und die Ausdehnung b1 jedes äußeren Schenkels an Schnitt D-D, die parallel zu der Längsachse der Felge liegt. Während t1 in dem Schnitt A-A nahe an der Nabe bedeutend länger ist, ist b1 nahe an dem Nabenabschnitt 130 kürzer als b1 nahe an dem ringförmigen Abschnitt 110. Entlang des äußeren Umfangs des Nabenabschnitts 130 bilden die äußeren Schenkel 121, 123 der Speichen 120 eine mindestens teilweise sinusförmige Verbindungslinie 136, weil jeder äußere Schenkel einer Speiche mit dem Schenkel der benachbarten Speiche verbunden ist. Dies stellt einen nahtlosen Übergang zwischen den Speichen 120 bereit, wobei die wellenförmige Form auf den Teilabschnitt zwischen den benachbarten mittleren Schenkeln beschränkt ist.
• 3a zeigt einen anderen Querschnitt einer Speiche, der vertikal zu der Radscheibenebene und entlang einer Speiche verläuft, wobei diese eine Höhe h1 aufweist. 3a zeigt an der Verbindungsstelle mit dem Nabenabschnitt eine teilweise sinusförmige Verbindungslinie 136 zwischen dem äußeren Schenkel 123 der veranschaulichten Speiche und einer benachbarten Speiche (nicht gezeigt). Die Breite der Speiche t1 ist veranschaulicht und zeigt die maximale Ausdehnung t1 max an dem Nabenabschnitt 130 und die minimale Ausdehnung t1 min nahe an der Unterseite 113 des ringförmigen Abschnitts 110, wobei der Übergang zwischen t1max und t1 min kontinuierlich ist und in einer sich verjüngenden Speiche 120 mit einer konkaven Außenlinie mit dem Radius r2 (nicht in der vollen Länge gezeigt) resultiert.
• Die Breite t1 ist geringer als die Breite t3 des Nabenabschnitts. Die Breite t1 ist geringer als die maximale Breite der Felge des ringförmigen Abschnitts. Der ringförmige Abschnitt 110 bildet eine Felge mit einem offenen Hohlprofil in der auswärts gerichteten radialen Richtung, das eine modifizierte V-Form mit gekrümmten Formen an jedem der Schenkel 111 und 112 und mit gekrümmten Abschnitten an jedem Schenkel ist. Ferner geben die Pfeile 156 und 157 an, dass die Speiche verdreht werden kann, wenn zwischen den zwei benachbarten Speichen eine vertikale Kraft 152 ausgeübt wird, wie in 3b mit Pfeil 152 angegeben.
• 3b zeigt weitere Kräfte wie etwa die vertikale Kraft (Pfeil 151), die auf die Längsachse einer Speiche ausgeübt wird, und die Seitenkräfte 154. Bei einer Bewegung auf einem kurvenförmigen Weg oder bei Kollisionen bei einem Unfall werden Seitenkräfte (siehe Pfeil 154 in 3b) in der Nähe des ringförmigen Abschnitts oder an der Kante der Felge ausgeübt.
• Weitere Drehmomente können auf das Rad ausgeübt werden. Wenn das Rad beschleunigt oder gedreht wird, tritt entlang des Umfangs der Felge eine Kraft 153 auf, die eines von einem Anfahrdrehmoment, einem Antriebsdrehmoment oder einem Beschleunigungsdrehmoment beinhaltet. Mittels einer Vorrichtung zum Bremsen wie etwa der Scheibenbremse 135 können weitere entgegengesetzte Drehmomente in Richtung des Pfeils 155 auftreten.
• 4a und 4b zeigen den Fall detaillierter, in dem in einem Teilabschnitt zwischen zwei benachbarten Speichen 125 und 126 eine vertikale Kraft F (siehe Pfeil 152) im Wesentlichen vertikal zu der äußeren Peripherie des ringförmigen Abschnitts gerichtet ist. Die gestrichelte Ellipse 142 und entsprechende Pfeile veranschaulichen die Elastizitätsreaktion des äußeren Schenkels 123 (von Speiche 125) und des äußeren Schenkels 121 (von Speiche 126), die einander zugewandt sind und das Fenster 140 mindestens teilweise umgeben. 4b veranschaulicht schematisch das Elastizitätsdrehmoment der Speiche 126, wobei sich der obere Seitenschenkel 121 in Bezug auf die Radscheibenebene nach oben verdreht (siehe Strich-Punkt-Linie 129).
• Die ausgeübte Energie (F, 152) kann durch Biegen und Verdrehen der beteiligten Speichenelemente wirksam abgeleitet werden. Das heißt, dass die äußeren Schenkel jedes Z-Querschnitts konfiguriert sind, um eine Verbiegung in die Richtung einer Krümmung zu ermöglichen, um die großen Lasten zu absorbieren. Dadurch verbiegt sich jeder der einander zugewandten äußeren Schenkel analog einer Drehstabfeder und verteilt die Last der vertikalen Stoßeinwirkung gleichmäßig auf beide Speichen. Es ist bekannt, dass die Biegespannung σ_b (Drehmoment M/Arbeit W) einer Blattfeder mit Höhe h, Länge I und Breite b wie folgt berechnet werden kann: $${\mathrm{\sigma }}_{\text{b}}=\text{M/W}=\left(6*\text{F}*\text{I}\right)/\left(\text{b}*{\text{h}}^2\right)$$

  

  Derartige allgemeine Formeln und daraus abgeleitete Formeln können verwendet werden, um die maximal zulässige Spannung σ_bmax abzuschätzen, wobei die Länge I der Feder analog zu einer Drehstabfeder der Länge des Biegeelements des Z-Profils entspricht.
• 5b zeigt die Herstellung des ringförmigen Abschnitts 110 schematisch. 5a veranschaulicht, dass der ringförmige Abschnitt ein Hohlprofil mit zwei auseinanderlaufenden Schenkeln 111 und 112 beinhaltet, die radial nach außen gerichtet sind, wobei das Profil symmetrisch ist. Jeder Endabschnitt der auseinanderlaufenden Schenkel 111, 112 weist einen aus einem Stück gebildeten Felgenflansch 114 auf, der sich nach innen zu der Symmetrieachse des Profils hin erstreckt. Mittels des vorstehenden Felgenflansches 114 kann beispielsweise ein Drahtreifen 119 gehalten werden (siehe 5c).
• Ferner umfasst das Hohlprofil querverlaufende Rippen 115, die das Hohlprofil in eine Vielzahl von Teilbereichen aufteilen. Der ringförmige Abschnitt des Fahrzeugrades in 5a ist in 12 Teilbereiche aufgeteilt (siehe gestrichelte Bogenteilabschnitte), wobei jeder Teilbereich eine Vielzahl von Rippen 115 beinhaltet, die dieselbe Ausrichtung aufweisen wie die radial nach außen gerichtete Achse in der Mitte jedes Teilbereichs.
• Um diese komplexe Struktur mit Rippen 115 und Felgenflansch 114 herzustellen, ist es erforderlich, radial angeordnete Schieber (siehe Pfeile 118) mit Faltkern zu verwenden.
• 6a-6c zeigen eine Draufsicht eines Hohlprofils mit einer Vielzahl von Rippen 115 und detaillierten Ansichten eines Ventilanschlussstücks 117. Das Ventilanschlussstück 117 ist so konfiguriert, dass es in 3 benachbarte Kammern passt, die von der Rippenstruktur gebildet werden. Die Unterseitenform des Ventilanschlussstücks 117 ist so konfiguriert, dass es in zwei Kammern passt, zwischen denen sich eine Kammer befindet. Die mittlere Kammer dazwischen weist an ihrer Unterseite eine Durchgangsbohrung auf, damit ein Ventil eingeführt werden kann.
• 7 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Komponente 160, die in die Umhausung einer hinteren oder vorderen Nabe eingeführt werden sollen und mindestens eine Achse und optional einen Freilaufmechanismus, eine Gangschaltung, einen Radnabenmotor oder ein umgebendes Gehäuse beinhaltet. Alternativ zu der gezeigten Ausführungsform können ein Radnabenmotor, eine Gangschaltung oder eine andere Komponente, die von dem Nabenabschnitt 130 aufgenommen werden kann, mindestens teilweise ohne Gehäuse eingesetzt werden, wenn der Nabenabschnitt 130 konfiguriert wurde, um mindestens teilweise als Gehäuse für die montierbare Komponente zu dienen. Der elektrische Radnabenmotor 160, der vorzugsweise eine hintere Radnabe antreibt, weist eine Montagebreite E von beispielsweise etwa 140 mm auf.
• Ferner zeigt das Bezugszeichen F die Ausdehnung eines Steckachsendurchmessers (vorne/hinten). Die Durchmesser von vorderen Steckachsen können einen Bereich von zwischen 9 und 20 mm umfassen und umfassen vorzugsweise 10 mm, 12 mm oder 15 mm. Hinterachsen weisen typischerweise Durchmesser von 10 oder 12 mm auf. Steckachsen sind beispielsweise von Mountainbikes bekannt. Die Steckachse kann auch mit einem Fahrrad mit Scheibenbremse kombiniert werden und ist nicht nur für Mountainbikes geeignet, sondern auch für Straßenfahrräder und Fahrräder mit Elektroantrieb.
• 8 zeigt eine perspektivische Ansicht des Fahrzeugrades und des Nabenabschnitts 130 von der Seite, der einen Hohlraum einschließt, der konfiguriert ist, um einen elektrischen Radenabenmotor 160 aufzunehmen. Der Nabenabschnitt ist pseudohexagonal, wobei der breiteste Innendurchmesser D_HUB ist. In jeder der abgerundeten Ecke des Pseudohexagons ist ein Paar Rippen 134 bereitgestellt. Die Rippen 134 können die Nabenumhausung verstärken und können verwendet werden, um die Verbindungselemente wie etwa Schrauben (siehe Bezugsnummer 161 in 11a oder 12a) für die Befestigung des Elektromotors in dem Nabenabschnitt 130 zu führen.
• 9a bis 9d zeigen Querschnitte des Fahrzeugrades und des Nabenabschnitts 130 einschließlich eines Einsatzes 139 und die Schnittansichten M-M und N-N. Der Einsatz 139 ist in dem Nabenabschnitt 130 und insbesondere auf einem Flansch 133, der sich von dem pseudohexagonalen Nabenabschnitt 130 des Rades radial nach innen erstreckt, befestigt. Der Metalleinsatz dient zum Halten montierbarer Komponenten, die mindestens eine Radachse beinhalten. In der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform erstreckt sich die Wand des Nabenabschnitts 130 parallel zu der Drehachse (gestrichelt-gepunktete Linie) und steht in Kontakt mit dem Einsatz 139 (siehe 9b).
• Eine Seitenansicht und eine Draufsicht eines Metalleinsatzes 139 sind in 10a und 10b gezeigt. Der Metalleinsatz 139 weist zur besseren Verankerung des Einsatzes 139 an dem Flansch 133 Öffnungen 138 an jeder Seite der abgerundeten Ecke 132 des Pseudohexagons auf. Die Öffnungen verjüngen sich in der Richtung weg von dem Schraubenloch 166 und bilden im Wesentlichen eine Tropfenform. Der Einsatz 139 ist mit dem Nabenabschnitt 130 durch Spritzgießen durch die Öffnungen 138 (siehe schattierter Bereich in den Öffnungen 138 in Schnitt M-M) und Hinterspritzen (siehe Bezugsnummer 163 und schattierter Bereich in Schnitt N-N) von mindestens einem Teil des Einsatzes 139 verbunden, um Kraftschluss und Formschluss zu erhalten.
• 11a und 11b zeigen eine schematische perspektivische Ansicht und eine Explosionsansicht einer Vielzahl von Radkomponenten. Es werden Befestigungsmittel wie etwa Schrauben 161 bereitgestellt, um eine Scheibenbremse 135 zu befestigen. Weitere Schrauben 161 werden bereitgestellt, um die einsetzbare Komponente 160, die einen elektrischen Radnabenmotor beinhaltet, zu befestigen.
• In Bezug auf den ringförmigen Abschnitt 110 des Rades zeigt 11a ein Felgenband 165, das besonders nutzbringend ist, wenn Drahtreifen an der Felge befestigt sind. Das Felgenband ruht vorzugsweise auf den querverlaufenden Rippen 115 des Hohlprofils und stützt den inneren Schlauch (nicht gezeigt) gegen den Reifendruck. Zum Aufblasen eines Reifens ist ein Ventilanschlussstück 117 bereitgestellt (siehe auch 6b und 6c).
• 11b zeigt das Fahrzeugrad in dem montierten Zustand, wobei das Felgenband 165 und das Ventilanschlussstück 117 in das Hohlprofils des ringförmigen Abschnitts 110 oder der Felge eingesetzt sind. In den Nabenabschnitt 130 wird eine Komponente 160, die eine Achse und einen elektrischen Radnabenmotor beinhaltet, eingesetzt, wobei die Scheibenbremse 135 auf der anderen Seite des Rades befestigt wurde.
• 12a bis 12c zeigen Querschnitte des Nabenabschnitts 130 in dem montierten oder zusammengebauten Zustand des Fahrzeugrades 100. In jede der abgerundeten Ecken 132 (siehe 12c) können Schrauben oder andere Befestigungsmittel 161 eingeführt werden, um eine feste Verbindung zwischen der Komponente 160 und dem Nabenabschnitt 130 zu bilden. Durch die axiale Verdrehung der Schrauben 161 durch die Löcher 166 des Einsatzes und die entsprechenden Löcher des Nabenabschnitts 130 kann jede Schraube 161 gegen den Metalleinsatz 139 gedrückt werden. Dadurch kann die axiale Schraubenvorspannung dauerhaft aufrechterhalten werden. Es ist besonders vorteilhaft, dass die Nachteile des thermoplastischen Materials wie etwa Relaxation und Kriechen durch das Verbinden mit einem Metalleinsatz 139 verhindert werden und eine sichere, beständige und stabile Verbindung zwischen der Nabe und einer anderen Komponente wie etwa einer Achse, einem Elektromotor, einem Nabendynamo oder einer Nabenschaltung bereitgestellt werden kann.
• Ferner verstärken die Konstruktionsweise des inneren Nabenabschnitts 130 und besonders die Verwendung der Rippen 134 nicht nur die Nabenumhausung, sondern können die vorstehenden Gegenteile 127 der einsetzbaren Komponente 160 auch in die montierte Position führen. Ferner ermöglichen die Rippen 134, dass zwischen den abgerundeten Ecken 132 des pseudohexagonalen Nabenabschnitts (siehe Schnitt B-B) ein Luftspalt 164 zwischen dem äußeren Gehäuse der Komponente 160 und der Innenwand des Nabenabschnitts 130 bereitgestellt wird. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Komponente 160 eine Wärmequelle wie etwa einen Elektromotor beinhaltet, sodass dieses Luftvolumen als Isolierung dienen kann.
• 13a und 13b zeigen die aerodynamischen Ströme des in Betrieb stehenden Fahrzeugrades schematisch. Eine Drehbewegung des Fahrzeugrades ist mit Pfeil 167 angegeben. Wenn sich das Rad mit seinen z-förmigen Speichen dreht, werden Luftströme 168 ausgelöst. Beispielsweise laufen Luftströme 168 an der erwärmten Bremsscheibe oder dem erwärmten Elektromotor vorbei. Daher kann die Wärme, die möglicherweise von einer Wärmequelle wie etwa einem Nabenmotor im Zentrum des Rades produziert wird, durch Wegbewegen der Luft von der Quelle wirkungsvoll reduziert werden.
• 13b zeigt mittels gestrichelter Pfeile die Luftströme in dem Fall eines sich drehenden Rades (siehe Drehrichtung um die Achse, die von Pfeil 149 angegeben wird) entlang des z-förmigen Querschnitts einer beispielhaften Speiche 120. Auf diese Weise kann Wärmestrahlung 169 (mit dem weißen Pfeil angegeben) einer Wärmequelle wie etwa eines Elektromotors von der Quelle wegbefördert werden.
• 14a bis 14c zeigen die einseitigen Aufhängungen 171 und 172 sowie eine beidseitige Aufhängung 170. Beidseitige Aufhängungen wie in 14a gezeigt, machen beispielsweise die Verwendung des Rades bei einem Zweirad möglich. Wenn die beidseitige Aufhängung 170 mit den einseitigen Aufhängungen von 14b und 14c kombiniert wird, kann ein Dreirad gebildet werden. Des Weiteren machen es einseitige Aufhängungen beispielsweise möglich, Fahrzeuge mit Vierradantrieb bereitzustellen, in denen optional ein Nabenmotor in einer, zwei oder jeder Radnabe bereitgestellt werden kann. Demgemäß kann das erfindungsgemäße Rad mit einer Vielzahl von Fahrzeugen kombiniert werden. Derartige Fahrzeuge, die Räder gemäß der Erfindung verwenden, können je nach Bedarf von Mittelmotoren oder Nabenmotoren angetrieben werden.
• Zusammenfassend gesagt weist das Fahrzeugrad gemäß der Erfindung ausgezeichnete Stabilitätseigenschaften auf und kann in einem breiten Anwendungsgebiet verwendet werden, einschließlich Lastenfahrräder und elektrisch betriebene Fahrräder wie etwa Pedelecs oder Elektrofahrräder. Da das Rad gemäß der Erfindung hohe Sicherheitsanforderungen erfüllt, können die Fahrräder als Straßenfahrräder verwendet werden. Insbesondere eignet sich das Rad zur Verwendung für Flottenfahrräder, da es in einem Verfahrensschritt schnell und in großen Mengen produziert werden kann und die Wartung im Betrieb einfach ist.
• Bezugszeichenliste

100

Fahrzeugrad

110

ringförmiger Abschnitt

111

Schenkel des Hohlprofils der Felge

112

Schenkel 111 zugewandter Schenkel

113

Unterseite des Hohlprofils des ringförmigen Abschnitts

114

nach innen vorstehender Felgenflansch

115

Rippe

116

Schnittpunkt von Speiche 126 mit der Felge

117

Ventilanschlussstück

118

Schieber

119

Drahtreifen

120

Speiche

121

äußerer Schenkel

122

mittlerer Schenkel

123

gegenüberliegender äußerer Schenkel

125

eine weitere Speiche

126

benachbarte Speiche

127

vorstehendes Element für die Rippen 134

128

Schnittpunkt der Speiche 125 mit der Felge

129

Ebene entlang des Zentrums der Radscheibe

130

Nabenabschnitt

131

Maximalradius des Pseudohexagons

132

abgerundete Ecke

133

Flansch

134

Paar Rippen

135

Scheibenbremse

136

teilweise sinusförmige Verbindungslinie zwischen Speiche und Nabenabschnitt

137

Drehachse

138

Öffnungen

139

Metalleinsatz

140

Fenster in der Radscheibe

142

Ellipse

143

Löcher in Flansch 133

149

Drehachse

151

vertikale, auf die Speichenachse ausgeübte Kraft

152

vertikale, zwischen den Speichen ausgeübte Kraft

153

Anfahrdrehmoment, Antriebsdrehmoment und Beschleunigungsdrehmoment

154

Seitenkraft

155

Bremsdrehmoment

156

Verdrehung eines äußeren Schenkels

157

Verdrehung eines gegenüberliegenden äußeren Schenkels

160

einsetzbare Komponente wie z. B. ein Elektromotor mit Achse

161

Schraube

163

Umfangsabschnitt, der teilweise um den Einsatz 139 gegossen ist

164

Luftspalt

165

Felgenband

166

Löcher des Einsatzes

167

Drehbewegung

168

Luftströme

169

Wärmeausstrahlung

170

beidseitige Aufhängung

171

einseitige Aufhängung rechts

172

einseitige Aufhängung links

Claims (17)

1. Ein Fahrzeugrad (100), das Folgendes beinhaltet: einen ringförmigen Abschnitt (110), eine Vielzahl von Speichen (120) und einen Nabenabschnitt (130), die durch Spritzgießen eines faserverstärkten oder Kohlenstoffnanoröhren enthaltenden Thermoplasts aus einem Stück gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Vielzahl von Speichen (120) einen im Wesentlichen z-förmigen Querschnitt mit einem mittleren Schenkel (122) und einem Paar äußere Schenkel (121, 123) beinhaltet, wobei der Winkel (γ), der von jedem des Paars äußere Schenkel (121, 123) und dem mittleren Schenkel (122) gebildet wird, größer als ein rechter Winkel ist; wobei die Länge des mittleren Schenkels (122) von dem ringförmigen Abschnitt (110) zu dem Nabenabschnitt (130) hin zunimmt; und Abschnitt (110) zu dem Nabenabschnitt (130) hin zunimmt; vier Speichen (120) beinhaltet und die Enden der Schenkel (121, 122, 123) jeder Speiche (120) an dem Nabenabschnitt (130) verbunden sind, um Fenster (140) zu bilden, die zwischen dem ringförmigen Abschnitt (110) und Paaren benachbarter Speichen (125, 126) definiert sind und jeweils im Wesentlichen eine Ellipse (142) bilden, die eine Längsachse aufweist, die parallel zu einer Tangente durch einen Scheitelpunkt der Ellipse (142) an dem ringförmigen Abschnitt (110) verläuft.
2. Fahrzeugrad (100) gemäß Anspruch 1, wobei der mittlere Schenkel (122) in Bezug auf die Drehachse (137) des Rades (100) abgewinkelt (α) ist.
3. Fahrzeugrad (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei jeder der äußeren Schenkel (121, 123) mindestens einen gekrümmten Abschnitt, der zu dem mittleren Schenkel (122) hin gerichtet ist, beinhaltet.
4. Fahrzeugrad (100) gemäß Anspruch 3, wobei der Radius (r1) des gekrümmten Abschnitts zu dem ringförmigen Abschnitt (110) hin zunimmt.
5. Fahrzeugrad (100) gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei die gekrümmten Abschnitte einen Radius (r1) in einem Bereich zwischen 3 und 20 mm aufweisen und jeder z-förmige Querschnitt eine Wanddicke (S) in einem Bereich zwischen 1,5 und 5 mm, vorzugsweise zwischen 2,5 und 3 mm, aufweist.
6. Fahrzeugrad (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Länge der äußeren Schenkel (121, 123) zu dem Bereich für die Verbindung mit dem ringförmigen Abschnitt (110) hin kontinuierlich zunimmt, um die Linie, entlang der das Z-Profil mit dem ringförmigen Abschnitt (110) verbunden ist, zu erweitern.
7. Fahrzeugrad (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der z-förmige Querschnitt jeder Speiche (120) so konfiguriert ist, dass er torsionselastisch ist, um eine Last zu kompensieren, die im Wesentlichen vertikal zu der äußeren Peripherie des ringförmigen Abschnitts (110) in einem Teilabschnitt zwischen zwei benachbarten Speichen (125, 126) gerichtet ist.
8. Fahrzeugrad (100) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei die äußeren Schenkel (121, 123) jedes Z-Querschnitts konfiguriert sind, um eine Verbiegung in die Richtung einer Krümmung zu ermöglichen.
9. Fahrzeugrad (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Nabenabschnitt (130) einen Metalleinsatz (139) oder einen Kunststoffeinsatz beinhaltet, der durch Spritzguss oder durch die Nutzung von Restwärme des mittels Spritzguss hergestellten Nabenabschnitts (130) verbunden wird, konfiguriert, um mindestens eines von einer Achse, einem Elektromotor (160), einem Nabendynamo, einer Nabenschaltung oder einem Radlager zu halten, wobei die Radaufhängung einseitig oder beidseitig konfiguriert sein kann.
10. Fahrzeugrad (100) gemäß Anspruch 9, wobei der Metalleinsatz (139) Öffnungen (138) für eine Spritzgussverbindung mit Formschluss beinhaltet.
11. Fahrzeugrad (100) gemäß Anspruch 10, wobei der Nabenabschnitt (130) pseudopentagonal oder pseudohexagonal mit abgerundeten Ecken (132) gebildet ist und auf einer Seite einen radial nach innen gerichteten Rand zum Montieren eines Elektromotors (160) aufweist, wobei jede der Ecken ein sich vertikal erstreckendes Paar Rippen (134) zum Führen der Verbindungselemente und zum Bilden eines Luftspalts (164), wenn der Elektromotor (160) montiert ist, beinhaltet.
12. Fahrzeugrad (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der faserverstärkte Thermoplast einen Glasfasergehalt von 20 bis 65 Gew.-% aufweist; und wobei der Thermoplast ausgewählt ist aus PA6, PA6.6 oder einer Mischung davon.
13. Fahrzeugrad (100) gemäß Anspruch 12, wobei der glasfaserverstärkte oder kohlenstoffnanoröhrenhaltige Thermoplast eine Zugspannung bei Bruch von 100 MPa bis 300 MPa und einen E-Modul von mindestens 6000 MPa aufweist.
14. Fahrzeugrad (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der ringförmige Abschnitt (110) eine Felge mit einem symmetrischen Profil beinhaltet, die zwei auseinanderlaufende Schenkel (111, 112) aufweist, die sich radial nach außen richten, wobei jeder Endabschnitt einen aus einem Stück gebildeten Felgenflansch (114), der sich nach innen zu der Symmetrieachse des Profils hin erstreckt, aufweist.
15. Ein Verfahren zum Herstellen eines Fahrzeugrades (100), wobei das Verfahren die folgenden Schritte beinhaltet: Spritzgießen eines faserverstärkten oder kohlenstoffnanoröhrenhaltigen Thermoplasts, um einen einstückigen Körper, der einen ringförmigen Abschnitt (110), eine Vielzahl von Speichen (120) und einen Nabenabschnitt (130) beinhaltet, aus einem Stück zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Speichen (120) einen im Wesentlichen z-förmigen Querschnitt mit einem mittleren Schenkel (122) und einem Paar äußere Schenkel (121, 123) bilden, wobei der Winkel (γ), der von jedem des Paars äußere Schenkel (121, 123) und dem mittleren Schenkel (122) gebildet wird, größer als ein rechter Winkel ist; und wobei die Länge des mittleren Schenkels (122) von dem ringförmigen Abschnitt (110) zu dem Nabenabschnitt (130) hin zunimmt; und wobei das Fahrzeugrad (100) mindestens vier Speichen (120) beinhaltet und die Enden der Schenkel (121, 122, 123) jeder Speiche (120) an dem Nabenabschnitt (130) verbunden sind, um Fenster (140) zu bilden, die zwischen dem ringförmigen Abschnitt (110) und Paaren benachbarter Speichen (125, 126) definiert sind und jeweils im Wesentlichen eine Ellipse (142) bilden, die eine Längsachse aufweist, die parallel zu einer Tangente durch einen Scheitelpunkt der Ellipse (142) an dem ringförmigen Abschnitt (110) verläuft.
16. Verfahren gemäß Anspruch 15, das ferner Folgendes beinhaltet: Verbinden eines Einsatzes (139) aus Metall oder Kunststoff mit dem Nabenabschnitt (130) durch Spritzguss durch die Öffnungen (138) des Einsatzes (139) und Hinterspritzen mindestens eines Teils des Einsatzes (139) in einer kraftschlüssigen und/oder formschlüssigen Weise.
17. Verfahren gemäß Anspruch 15 oder 16, das ferner Folgendes beinhaltet: Bereitstellen und Extrahieren einer Vielzahl von radial angeordneten Schiebern mit einem Faltkern in dem Einspritzwerkzeug, um einen ringförmigen Abschnitt zu bilden, der eine Felge mit einem symmetrischen Profil beinhaltet, die zwei radial nach außen gerichtete auseinanderlaufende Schenkel (111, 112) aufweist, wobei jeder Endabschnitt einen aus einem Stück gebildeten Felgenflansch (114), der sich nach innen erstreckt, aufweist.

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