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Die Erfindung betrifft ein Speichenlaufrad mit Speichen aus Faserverbundwerkstoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Üblicherweise werden Speichenlaufräder mit Felgen aus stranggepressten Hohlkammerprofilen und Stahl- oder Aluminiumspeichen hergestellt. Die Speichen sind dabei an der Nabe mit einem aufgestauchten Kopf in Bohrungen oder Schlitzen eingehängt und mit der Felge über Speichennippel verbunden, die auf die durch Bohrungen im Felgenhohlkammerprofil geführten Speichenenden aufgeschraubt sind. Über diese Gewindeverbindung zwischen dem endständigen Speichengewinde und Speichennippel ist dabei die Möglichkeit gegeben, die Speichen zu spannen und die Felge bezüglich der Nabenachse zu zentrieren. Die Speichen werden zum allergrößten Teil aus Stahldraht gefertigt, wobei der Kopf auf der einen Seite kalt aufgestaucht wird und am anderen Ende ebenfalls mittels Kaltverformung ein Gewinde aufgerollt wird. Bei einigen Laufradkonstruktionen weisen auch die nabenseitigen Speichenenden Gewinde auf, über die die Speichen mit der Nabe verbunden sind. Zur Gewichtsreduzierung wird oft der mittlere, weniger belastete Teil der Speiche z.B. durch Rundhämmern im Querschnitt reduziert.
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Zur Verbesserung der Aerodynamik wird bei besonders aerodynamisch optimierten Rennradlaufrädern auch im mittleren Teil der Speichen durch Pressen der runde Drahtquerschnitt in einen strömungsgünstigen flachovalen umgewandelt. Querschnittsreduzierung und Flachverformung des Speichenmittelteils kommen auch kombiniert vor.
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Da ein Fahrradlaufradsatz mit bis zu über 70 Einzelspeichen versehen ist, erfolgen diese Fertigungsvorgänge mit hohem Automatisierungsgrad, sodass die Produktionskosten niedrig bleiben.
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Die wichtigsten Eigenschaften eines Fahrradspeichenlaufrades sind neben einer hohen Festigkeit ein möglichst geringes Gewicht, da durch die Rotation der Laufräder das Gewicht von Felge und Speichen durch das dadurch auftretende Trägheitsmoment bei Beschleunigung in zweifacher Weise wirksam ist, sowie eine strömungsgünstige Formgebung, da durch das Abrollen der Laufräder während der Fahrt die Felge und die radial äußeren Bereiche der Speichen gegenüber dem Aufstandspunkt mit bis zu fast doppelter Fahrgeschwindigkeit durch die Luft bewegt werden. Angesichts des quadratischen Anstiegs des Luftwiderstandes mit der Geschwindigkeit ist Aerodynamik somit ein sehr wesentliches Konstruktionsmerkmal von Laufrädern. Daher haben großvolumige Hohlkammerfelgen aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (Carbon) zunehmende Verbreitung gefunden, die über tragflächenartige Profilformen höchste Aerodynamik erlauben und andererseits durch die überlegenen Materialeigenschaften des Carbons auch Steifigkeit und Festigkeit bei geringem Gewicht ermöglichen.
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Es liegt auf der Hand, dass Gewicht und Festigkeitseigenschaften eines Speichenlaufrades ebenfalls sehr profitieren von Speichen aus solchen Faserverbundwerkstoffen, wie z.B. kohlefaserverstärktem Kunststoff. Gerade bei unidirektionalem Faserverlauf, der bei der reinen Zugbelastung von Speichen in idealer Weise realisierbar ist, kann ein solches Verbundmaterial seine Eigenschaften, d.h. die Zugfestigkeit und Steifigkeit der langen Fasern optimal ausspielen. Verglichen mit Stahl kann der gewichtsspezifische E-Modul oder die Zugfestigkeit je nach Fasertyp bei Carbon z. B. um ein Mehrfaches höher liegen.
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Das Problem bei der Konstruktion und Herstellung von Speichen aus Faserverbundwerkstoff wie Carbon liegt in den Materialeigenschaften der Verbundstruktur von Kohlenstofffasern und dem üblicherweise verwendeten duroplastischen Kunstharz begründet. Die bei der Metall- und speziell Stahlbearbeitung gängigen Verfahren der plastischen Umformung wie Gewinderollen, Schmieden, Biegen und Pressen stehen hier nicht zur Verfügung; somit auch nicht sämtliche bei herkömmlichen Stahlspeichen angewendeten Herstellungsprozesse.
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Es wurde daher versucht, Laufräder herzustellen, bei denen Carbonspeichen in einem gemeinsamen Produktionsvorgang mit Felge und Nabe zusammenlaminiert wurden, wobei die tragenden Carbonfasern der Speichen aufwendig mit denen der Felge und Nabe verwoben werden mussten. Neben dem Nachteil des enorm zeitaufwendigen Herstellungsprozesses erlauben diese Konstruktionen weder ein nachträgliches Spannen der Speichen, somit auch kein Nachzentrieren, was im Betrieb zuweilen nötig wird, noch ein Auswechseln einzelner Komponenten, seien es einzelne gebrochene Speichen oder eine defekte Felge. Irgendein Schaden an diesen „Vollcarbon“-Laufrädern führt deswegen meistens zu einem Totalschaden, was angesichts der hohen Anschaffungskosten nachteilig für den Verbraucher ist.
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Man hat daher versucht, Carbonlaufräder mit auswechselbaren Carbonspeichen zu entwickeln. Aber auch dabei waren die besonderen Verbundmaterialeigenschaften zu berücksichtigen: Jede einzelne Speiche muss einzeln in einer Form laminiert werden. Dabei kann zumindest ein Kopf ausgeformt und auch Variationen des Speichenquerschnittes vorgesehen werden. Zur Herstellung eines Gewindes wurden Stahldrahtstücke mit aufgerolltem Gewinde verwendet, die mittels eines groben Gewindes oder eines Hakens formschlüssig mit dem Carbonmaterial verbunden sind. Da diese Arbeitsschritte kompliziert und kaum automatisierbar sind, entstehen hohe Produktionskosten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Speiche und ein Speichenlaufrad bereitzustellen, das mit auswechselbaren Speichen ausgerüstet ist, mit deren Hilfe die Felge gespannt und zentriert werden kann und das sich bei hoher Festigkeit durch ein möglichst geringes Gewicht auszeichnet und das durch ein automatisierbares Herstellungsverfahren herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Speiche für ein Speichenlaufrad und ein Speichenlaufrad mit den Merkmalen des Anspruches 1 und des Nebenanspruchs 15 gelöst. Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Speichenschaft einer Speiche für ein Speichenlaufrad aus einem Faserverbundwerkstoff besteht, an dessen jeweiligen freien Enden des Speichenschaftes Metallhülsen, eine erste Metallhülse und eine weitere Metallhülse, angeordnet sind, beispielhaft aufgesteckt sind, und dergestalt mittels plastischer Verformung mit dem Speichenschaft verbunden, so beispielhaft verpresst sind, dass zumindest eine reibschlüssige Verbindung zwischen Speichenschaft und der jeweiligen Metallhülse besteht.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass die erste Metallhülse und die weitere Metallhülste an ihren freien Enden Aufnahmen für eine Nabe und/oder eine Felge aufweisen. Es kommen jegliche geeignete Gestaltungen in Betracht. So kann die erste Metallhülse mit einem Gewinde und die weitere Metallhülse ebenfalls mit einem Gewinde oder einem verdickten Kopf versehen sein. Dadurch können die Speichen wie übliche Stahlspeichen mit einer Felge und einer Nabe verbunden werden. Somit ist ein Spannen und Zentrieren der mit den erfindungsgemäßen Speichen funktionsgerecht versehenen Felge sowie ein komplettes Auswechseln der jeweiligen Speichen möglich.
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Als Speichenschaft kann ein vorgefertigter extrudierter Carbonprofilstab zum Einsatz kommen, so beispielhaft ein ausgehärteter extrudierter Profilstab, bei dem die Carbonfasern unidirektional angeordnet sind und der einen hohen Fasergehalt aufweist, gleichsam ein Profilstab aus hochverdichteten Hochmodul-Carbonfasern mit geringem Harzanteil. Ebenfalls können andere geeignete Faserverbundmaterialien zum Einsatz kommen, so solche aus renewablen Carbonfasern, Aramid-, Basalt-, Bor- oder sonstigen Fasern mit einer hohen Zugfestigkeit und Steifigkeit und gleichzeitig geringer Dichte.
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Die erste und die weitere Metallhülse sind vorzugsweise, jedoch nicht erfindungsnotwendig, aus Aluminium gefertigt, was ein geringes Gewicht aufweist. Alternativ können auch alle anderen geeigneten bekannten Metalle zum Einsatz kommen, speziell Magnesium oder Titan.
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Die Herstellung der Verbindung, so zum Beispiel ein Verpressen der ersten und der weiteren Metallhülse mit dem Speichenschaft, kann durch jedes bekannte geeignete Werkzeug erfolgen, beispielhaft mit einem Presswerkzeug, die Abdrücke in die Hülsen einzuprägen, die für das Ansetzen formschlüssig angreifender Werkzeuge geeignet sind, um die Hülsen einschrauben oder gegenhalten zu können. Dabei kann vorgesehen sein, dass die jeweiligen auf den Speichenschaft, auf den freien Enden des Speichenschaftes, aufsteckbaren beziehungsweise daran angeordneten ersten und weiteren Metallhülsen Pressmarken aufweisen, die einen formschlüssigen Griff eines Werkzeugs erlauben. Auch ein Aufpressen der ersten und der weiteren Metallhülse auf ein freies Endes des Speichenschaftes kommt im Rahmen der Verbindung in Betracht, sodass in dieser Ausgestaltungsform zwischen dem Speichenschaft und der ersten und der weiteren Metallhülse eine Presspassung vorliegt.
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Die erfindungsgemäße Speiche ermöglicht im Vergleich zu Stahlspeichen bei gleicher Steifigkeit und Reißfestigkeit eine Gewichtsersparnis von bis zu 50%. Angesichts der hohen Anzahl von Speichen reduziert sich auch die Masse des kompletten Speichenlaufrades signifikant und damit auch das Trägheitsmoment.
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Ein aerodynamisches Profil kann durch Verwendung eines Speichenschaftes mit entsprechend flachem Profil oder durch nachträgliches Bearbeiten eines runden Profilstabes zum Beispiel durch Schleifen erreicht werden.
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Da mit extrudierten Profilstäben aus einem Faserverbundwerkstoff bereits industriell automatisiert hergestellte Halbzeuge vorhanden sind und die Fertigung entsprechender Metallhülsen, auch als Presshülsen bekannt, sowie die Verpressung und fakultativ der Formschliff runder Profile problemlos automatisierbar sind, ergeben sich neuartige Möglichkeiten, auswechselbare, spannbare sehr leichte Speichen aus Faserverbundwerkstoff, insbesondere Carbon, mit optimierten Eigenschaften in größeren Stückzahlen preiswert zu fertigen.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung kann ebenfalls ein Speichenlaufrad mit spannbaren und auswechselbaren Speichen im Wesentlichen aus einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere Carbon, zur Verfügung gestellt werden, das bei optimierter Festigkeit ein deutlich verringertes Gewicht aufweist und das in einem automatisierbaren Herstellungsprozess gefertigt werden kann.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Carbonstab als Speichenschaft mit einem radialsymmetrischen Querschnitt mit unidirektional laufenden Fasern und einem Durchmesser zwischen 2 und 3 mm vorgesehen, auf dessen freien Enden Metallhülsen mit ebenfalls einem radialsymmetrischen Querschnitt und einem Außendurchmesser zwischen 4 und 5 mm aufgesteckt und anschließend verpresst worden sind.
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Eine Einstecktiefe des Speichenschaftes in die erste und die weitere Metallhülse (Überdeckung) beträgt zwischen 10 und 15 mm. Die jeweiligen Metallhülsen, also die erste und die weitere Metallhülse, können an ihren dem Speichenschaft abgewandten Enden, wie bereits dargestellt, ein Außengewinde oder einen verdickten Kopf zur form- und/oder kraftschlüssigen Verbindung mit Felge und Nabe aufweisen.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist ein flacher Speichenschaft mit einer Dicke zwischen 1 und 1,5 mm und einer Breite von 2,5 bis 4 mm vorgesehen, auf den die jeweiligen Metallhülsen mit zum Querschnitt des Speichenschaftes korrespondierender Öffnung, zum Beispiel rechteckiger Öffnung, aufgesteckt und verpresst sind. Dabei kommt zwischen der ersten und der weiteren Metallhülse und dem Speichenschaft eine geeignete Passung zum Einsatz, beispielhaft eine leichte Spielpassung oder auch eine Übergangspassung, letztere dann, wenn zum Beispiel neben dem Verpressen auch ein Verkleben der ersten und der weiteren Metallhülse und den Speichenschaft erfolgen soll. Bei einer leichten Spielpassung kann der Kleber den Raum zwischen erster und weiterer Metallhülse und dem Speichenschaft ausfüllen, bevor es zu einem Verpressen kommt.
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Den vorgenannten Lösungen ist dabei gemein, dass die jeweiligen Metallhülsen, so die erste und die weitere Metallhülse, mit dem Querschnitt des Speichenschaftes korrespondieren.
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Es kann weiterhin vorgesehen werden, dass der Speichenschaft im Bereich der Überdeckung mit den jeweiligen Metallhülsen, erste und weitere Metallhülse, mindestens eine Vertiefung aufweist, sodass bei Verpressung der ersten und/oder der weiteren Metallhülse mit dem Speichenschaft nicht nur eine reibschlüssige, sondern auch eine formschlüssige Verbindung besteht. Es wird damit im Rahmen der Verbindung des Speichenschaftes mit der ersten und/oder der weiteren Metallhülse ein Formschluss gewährleist.
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Die erste Metallhülse und die weitere Metallhülse sind damit mittels plastischer Verformung dergestalt mit dem Speichenschaft verbunden, dass eine form- und reibschlüssige Verbindung zwischen dem Speichenschaft und der jeweiligen Metallhülse besteht.
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Ferner können die erste Metallhülse und die weitere Metallhülse dergestalt mit dem Speichenschaft ergänzend verbunden sein, dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Speichenschaft und der jeweiligen Metallhülse besteht. Das ist dann der Fall, wenn in die Hülsenöffnung ein Klebstoff appliziert ist.
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Des Weiteren kann vorgesehen werden, dass bei Verwendung eines Speichenschaftes mit einem radialsymmetrischen Querschnitt die Flanken im Mittelteil des Speichenschaftes symmetrisch von beiden Seiten eingeschliffen sind, sodass ein flacher strömungsgünstiger Querschnitt gebildet wird.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine komplette Ansicht einer ersten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Speiche,
- 2 eine Querschnittsansicht des Endstückes derselben Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Speiche,
- 3 eine Seitenansicht des Endstückes einer zweiten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Speiche,
- 4 eine Querschnittsansicht des Endstückes einer dritten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Speiche und
- 5 eine Seitenansicht des Endstückes einer vierten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Speiche.
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Die 1 zeigt eine Speiche (12) für ein Speichenlaufrad, die aus einem Speichenschaft (1) gefertigt ist, aus einem ausgehärteten extrudierten Profilstab, bei dem die Carbonfasern unidirektional angeordnet sind und der einen hohen Fasergehalt aufweist. An dessen beiden freien Enden sind eine erste und eine weitere Metallhülse (2,3) aufgepresst, die jeweils an den dem Speichenschaft abgewandten Enden ein Gewinde (4) beziehungsweise einen verdickten Kopf (5) aufweisen.
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Durch die Verpressung der endständigen ersten und weiteren Metallhülsen (2,3) können an einem mit konstantem Profil endlos vorgefertigten Profilstab aus Carbon auf kostengünstige Weise formschlüssige Verbindungselemente (4,5) bereitgestellt werden, die zur Verbindung der Speiche (12) mit einer Felge und einer Nabe dienen. Das Zusammenwirken des Gewindes (4) der ersten Metallhülse (2) mit einem klassischen Gewindenippel erlaubt in bekannter Weise das Spannen der Speiche (12) und damit ein Zentrieren des Speichenlaufrades. Die weitere Metallhülse (3) mit dem verdickten Kopf (5) kann in üblicher Weise in entsprechende Aufhängungen der Nabe eingehängt werden.
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2 zeigt den Querschnitt der ersten Metallhülse (2) mit einem Gewinde, die in einer Bohrung (6) das eine freie Ende des Speichenschaftes (1) aufnimmt. Über eine im Überdeckungsbereich des eingesteckten Speichenschaftes (1) von einem Presswerkzeug zirkulär auf die Hülse einwirkende plastische Verformung wird ein Verformungsbereich (8) erzeugt und es kommt zu einer reibschlüssigen Verbindung zwischen Speichenschaft (1) und der ersten oder der weiteren Metallhülse (2,3).
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Beim Spannen und Zentrieren eines Speichenlaufrades ist es zweckmäßig, beim Drehen des bei einem Verbinden eines Speichennippels mit der Speiche (12) die Speiche (12) gegen ein Mitdrehen gegenzuhalten. Da ein extrudierter Profilstab aus Carbon mit unidirektional ausgerichteten Fasern gegenüber Verdrehung empfindlich ist, ist es vorteilhaft, ein Gegenhalten an der jeweiligen ersten und/oder weiteren aufgepressten Metallhülse (2,3) vorzunehmen.
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3 zeigt das Ende einer Speiche (12) aus einem alternativen Faserverbundwerkstoff mit aufgepresster erster Metallhülse (2), die ein Mehrkantprofil (9) aufweist, das eine formschlüssige Drehmomentübertragung durch einen geeigneten Speichenhalteschlüssel erlaubt. Damit kann die Speiche (12) beim Spannen fixiert werden. Bei Nabenkonstruktionen, bei denen die Speiche (12) ebenfalls mittels Gewinde befestigt wird, kann das Mehrkantprofil (9) in einfacher Weise mit einem entsprechenden Schlüssel eingeschraubt werden.
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4 zeigt den Querschnitt einer ersten Metallhülse (2) mit Gewinde, die in der Bohrung (6) das Ende des Speichenschaftes (1) aufnimmt, der im Überdeckungsbereich der Bohrung eine Vertiefung (10) in Form einer zirkulären Querschnittsreduktion aufweist, sodass im Zusammenwirken mit der durch eine Verpressung bewirkte plastische Verformung (8) der ersten und/oder der weiteren Metallhülse (2,3) eine zusätzliche formschlüssige Verbindung zwischen Speichenschaft (1) und der jeweiligen Metallhülse (2,3), im Ausführungsbeispiel ist beispielhaft die erste Metallhülste (2) dargestellt, erreicht wird. Dadurch können die Haltekräfte der erfindungsgemäßen Verbindung optimiert werden.
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Es ist für eine günstige Aerodynamik anzustreben, das Profil der Speiche (12) flach zu gestalten, was eine geringere Stirnfläche und wirbelfreiere Umströmung zur Folge hat.
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5 zeigt das Ende einer Speiche (12) aus dem alternativen Faserverbundwerkstoff mit aufgepresster erster Metallhülse (2), deren runder Speichenschaft (1) in einem mittleren Bereich des Speichenschaftes durch symmetrisch beidseitigen Materialabtrag ein flaches Profil (11) aufweist.
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Bezugszeichenliste:
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- 1
- Speichenschaft
- 2
- erste Metallhülse
- 3
- weitere Metallhülse
- 4
- Gewinde der Metallhülse
- 5
- verdickter Kopf der Metallhülse
- 6
- Bohrung der Metallhülse
- 8
- Verformungsbereich der Metallhülse
- 9
- Mehrkantprofil im Verformungsbereich
- 10
- Vertiefung
- 11
- Flachprofil des Speichenschaftes
- 12
- Speiche
