DE102022129801A1

DE102022129801A1 - Kurbelarm und Kurbelarmanordnung für ein Fahrrad

Info

Publication number: DE102022129801A1
Application number: DE102022129801.9A
Authority: DE
Inventors: João Filipe Tavares Miranda
Original assignee: Miranda and Irmao Ltda
Current assignee: Miranda and Irmao Ltda
Priority date: 2022-11-10
Filing date: 2022-11-10
Publication date: 2024-05-16
Also published as: WO2024099916A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kurbelarm für ein Fahrrad und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kurbelarms. Die Erfindung betrifft auch eine Kurbelarmanordnung mit dem Kurbelarm. Der Kurbelarm (1) umfasst ein erstes Durchgangsloch (2) an einem ersten Endabschnitt (3) zur Verbindung mit einer Tretlagerwelle eines Fahrrads, und ein zweites Durchgangsloch (4) an einem zweiten Endabschnitt (5) zur Verbindung mit einem Pedal, wobei der Kurbelarm (1) aus einem Kohlenstoff-Verbundwerkstoff gebildet ist.Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kurbelarm und eine Kurbelarmanordnung bereitzustellen, die leicht und langlebig sind. Im Falle einer Befestigung der Kurbel an einer metallischen Kopplungsgeometrie soll die Kurbel eine langlebige und lösbare Verbindung ermöglichen. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass mehrere Kohlenstofffaserschichten konzentrisch zu einer Mittelachse (7, 13) von mindestens einem des ersten und zweiten Durchgangslochs (2, 4) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kurbelarm für ein Fahrrad und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kurbelarms. Die Erfindung betrifft auch eine Kurbelarmanordnung mit dem Kurbelarm.
Kurbelarme sind aus dem Stand der Technik bekannt. Ein Kurbelarm hat ein erstes Durchgangsloch an einem ersten Endabschnitt zur Verbindung des Kurbelarms mit einer Tretlagerwelle eines Fahrrads und ein zweites Durchgangsloch an einem zweiten Endabschnitt zur Verbindung des Kurbelarms mit einem Pedal. Bekannte Kurbelarme können aus Metall oder aus einem Kohlenstoff-Verbundwerkstoff gebildet sein, wobei Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe jüngst besondere Aufmerksamkeit erfahren haben.
Kurbelarme werden in der Praxis auch als Kurbeln, Arme oder Tretkurbeln bezeichnet. Ein Kurbelarm ist Bestandteil einer Kurbelgarnitur eines Fahrrads. Eine Kurbelgarnitur wird in der Praxis auch als Kurbelsatz bezeichnet. Die Kurbelgarnitur eines Fahrrads dient dazu, eine Auf- und Abbewegung der Beine des Radfahrers in eine Drehbewegung umzuwandeln, die zum Antrieb einer Kette oder eines Riemens des Fahrrads dient. Zu diesem Zweck umfassen Kurbelgarnituren mindestens einen Kurbelarm und mindestens ein Ritzel, die drehfest miteinander verbunden sind. Das Ritzel kann beispielsweise durch eine Klebeverbindung, eine formschlüssige Verbindung und/oder eine kraftschlüssige Verbindung mit dem Kurbelarm verbunden sein. In der Praxis sind auch einteilige Kurbelgarnituren bekannt, die den Kurbelarm und das Ritzel zu einem einzigen Stück zusammenfassen. Bei Elektrofahrrädern kann das Ritzel an einer Tretlagerwelle des Elektroantriebs befestigt sein, während der Kurbelarm an einer Kopplungsgeometrie der Tretlagerwelle des Elektroantriebs befestigt ist.
Der Kurbelarm und das Ritzel (d. h. die Kurbelgarnitur) sind mit einer Welle verbunden, bei normalen Fahrrädern mit der Welle des Tretlagers. Das Tretlager eines Fahrrads verbindet die Kurbelgarnitur mit dem Fahrradrahmen und ermöglicht das freie Drehen der Kurbelgarnitur. Die Verbindung der Kurbelgarnitur mit dem Tretlager kann dadurch realisiert werden, dass eine metallische Kopplungsgeometrie einer Welle des Tretlagers in das erste Durchgangsloch am ersten Endabschnitt des Kurbelarms eingeführt wird, um eine formschlüssige Verbindung herzustellen. Der Kurbelarm erstreckt sich in der Richtung orthogonal zu einer Mittelachse der Kopplungsgeometrie. Mit anderen Worten, kann eine Steckteil-Buchsen-Verbindung hergestellt werden. Die Kopplungsgeometrie der Tretlagerwelle wird auch als Kurbelaufnahme bezeichnet. In der Praxis werden verschiedene Geometrien von Kurbelaufnahmen (Kopplungsgeometrien) verwendet, z. B. sich verjüngende Vierkantaufnahme oder gezahnte Kurbelaufnahmen wie der sogenannte „International Splined Interface Standard“ (ISIS Drive). Die Kopplungsgeometrie und die entsprechende Geometrie des ersten Durchgangslochs am Kurbelarm können in der axialen Richtung der Kopplungsgeometrie verjüngt sein.
Kurbelarme aus einem Kohlenstoff-Verbundwerkstoff mit einem ersten Durchgangsloch an einem ersten Endabschnitt und einem zweiten Durchgangsloch an einem zweiten Durchgangsloch sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Die EP 2 006 199 A2 offenbart einen Kurbelarm für ein Fahrrad, der einen langgestreckten Körper umfasst, der an einem ersten freien Endabschnitt einen ersten Sitz zur Verbindung mit einem Fahrradpedal und an einem zweiten freien Endabschnitt einen zweiten Sitz zur Verbindung mit einem ersten freien Ende einer Welle einer Tretlageranordnung aufweist. Der Kurbelarm umfasst vordere Verbindungsmittel an einem ringförmigen Abschnitt des länglichen Körpers, der sich in Umfangsrichtung um den zweiten Sitz herum erstreckt. Der Kurbelarm kann aus einem Kohlenstoff-Verbundwerkstoff hergestellt sein. Wenn der Kurbelarm aus einem Kohlenstoff-Verbundwerkstoff hergestellt ist, umfasst der Kurbelarm einen Einsatz aus einem metallischen Werkstoff, in dem die vorderen Verbindungsmittel ausgebildet sind.
Metalleinsätze werden in Kurbelarmen aus Kohlenstoff-Verbundwerkstoff in der Regel verwendet, um eine langlebige Verbindung des Kurbelarms mit der metallischen Kopplungsgeometrie einer Tretlagerwelle herzustellen. In diesem Zusammenhang wird auf die US 2021/0387694 A1 verwiesen, die einen Fahrradkurbelarm offenbart, der aus einem Verbundwerkstoff hergestellt sein kann. Der Kurbelarm weist einen oder mehrere Einsätze an den Enden des Kurbelarms auf, wo er mit dem Pedal oder dem Tretlager verbunden ist. Gemäß der S 2021/0387694 A1 ist der Metalleinsatz nützlich, weil Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe, die zur Herstellung von Kurbelarmen verwendet werden, nicht gut für die Verbindung mit einem oder die Unterstützung eines drehbaren Verbindungsmechanismus geeignet sind.
Ein Kurbelarm aus Kohlenstoff-Verbundwerkstoff, der keinen Metalleinsatz aufweist, ist aus der DE 20 2014 103 455 U1 bekannt. Dieses Dokument offenbart eine Kurbelgarnitur mit einer Tretlagerwelle, einem mit einem Ende der Tretlagerwelle verbundenen ersten Kurbelarm und einem mit dem anderen Ende der Tretlagerwelle verbundenen zweiten Kurbelarm. Zur Verbindung der Tretlagerwelle mit mindestens einem Kurbelarm weist ein Ende der Tretlagerwelle ein Zahnprofil auf, und ein Kurbelarm weist ein Gegenzahnprofil auf. Das Gegenzahnprofil des Kurbelarms ist aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff gefertigt. Die Bereitstellung eines Gegenzahnprofils aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff ist möglich, weil das Zahnprofil der Tretlagerwelle ebenfalls aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff besteht, was zu einem geringeren Verschleiß des Gegenzahnprofils führt als bei üblicherweise verwendeten Metalltretlagerwellen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kurbelarm und eine Kurbelarmanordnung bereitzustellen, die leicht und langlebig sind. Im Falle einer Befestigung der Kurbel an einer metallischen Kopplungsgeometrie soll die Kurbel eine langlebige und lösbare Verbindung ermöglichen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren eines solchen Kurbelarms bereitzustellen.
Die Aufgaben der Erfindung werden durch den Kurbelarm, das Herstellungsverfahren und die Kurbelarmanordnung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Der Kurbelarm für ein Fahrrad weist ein erstes Durchgangsloch an einem ersten Endabschnitt zur Verbindung mit einer Tretlagerwelle eines Fahrrads auf, und ein zweites Durchgangsloch an einem zweiten Endabschnitt zur Verbindung mit einem Pedal. Der Kurbelarm ist aus einem Kohlenstoff-Verbundwerkstoff gebildet, wobei mehrere Kohlenstofffaserschichten konzentrisch zu einer Mittelachse von mindestens einem des ersten und zweiten Durchgangslochs angeordnet sind.
Mit anderen Worten ist der Kohlenstoff-Verbundwerkstoff ein geschichtetes Material, wobei die Schichten gewebte und/oder ungewebte Kohlenstofffasern aufweisen. Die Kohlenstofffasern können endlos und/oder unidirektional sein. Der erste Endabschnitt der Kurbel muss das vom Radfahrer erzeugte Drehmoment auf die Tretlagerwelle des Fahrrads übertragen. Dies ist der Teil der Kurbel, an dem die stärksten Kräfte und Drehmomente auf den Werkstoff der Kurbel einwirken. Insbesondere, wenn die Kurbel an einer metallischen Kopplungsgeometrie der Tretlagerwelle befestigt ist, wirken starke radiale Kräfte auf das erste Durchgangsloch. Der beste Widerstand gegen eine radiale Ausdehnung des Materials um das Durchgangsloch herum kann erreicht werden, indem Bänder umfassend unidirektionale und endlose Kohlenstofffasern um das Durchgangsloch gewickelt werden. Die Kohlenstofffasern stellen eine Verstärkung für den Kohlenstoff-Verbundwerkstoff bereit. Daher werden die aus Kohlenstofffasern gebildeten Schichten auch als Verstärkungsschichten bezeichnet. Die Verstärkungsschichten sind in die Matrix eingebettet, die aus einem Kunststoffharz besteht. Das Harz kann aus jedem geeigneten Polymermaterial ausgewählt werden und besteht in den häufigsten Fällen aus Epoxidharz. Der erste Endabschnitt des Kurbelarms umfasst mehrere Schichten, die um eine Achse angeordnet sind, die die Mittelachse des ersten Durchgangslochs bildet. Zusätzlich oder alternativ umfasst der zweite Endabschnitt des Kurbelarms mehrere Schichten, die um eine Achse angeordnet sind, die die Mittelachse des zweiten Durchgangslochs bildet.
Die Anordnung mehrerer Kohlenstofffaserschichten konzentrisch zur Mittelachse mindestens eines des ersten und zweiten Durchgangslochs ermöglicht es dem Kurbelarm, Belastungen von einer Tretlagerwelle, insbesondere von einer Kopplungsgeometrie einer Tretlagerwelle, effektiv in die Endabschnitte zu verteilen. Insbesondere ermöglicht die konzentrische Anordnung der Verstärkungsschichten die Aufnahme hoher Zugkräfte in Umfangsrichtung um die Mittelachse des Durchgangslochs. Daher kann der Kurbelarm beispielsweise mit einer hohen Kraft auf eine metallische, konische Kopplungsgeometrie einer Tretlagerwelle gepresst werden, wobei die Kraft, die die Kopplungsgeometrie des Kurbelarms auf die konische Kopplungsgeometrie der Tretlagerwelle drückt, die besagte Spannung in Umfangsrichtung um das Durchgangsloch verursacht. Die hohe Umfangsspannung innerhalb der Verstärkungsschichten bewirkt eine hohe Klemmkraft, die die innere Kopplungsgeometrie des ersten Durchgangslochs fest mit der metallischen Kopplungsgeometrie der Tretlagerwelle verbindet. Auch bei anderen Verbindungen zwischen Kurbel und Tretlagerwelle als Pressen, wie z.B. einer Klebeverbindung, führt die konzentrische Anordnung der Verstärkungsschichten um das Durchgangsloch herum zu einer festen und langlebigen Kurbel im Bereich des ersten Durchgangslochs, das mit der Tretlagerwelle verbunden ist. Wenn die konzentrische Anordnung der Verstärkungsschichten um das zweite Durchgangsloch herum angeordnet ist, ergibt sich die gewünschte Steifigkeit und Langlebigkeit für die Anordnung der Pedalachse.
Aufgrund der konzentrischen Anordnung der Schichten und des damit verbundenen Vorteils benötigt der hier beschriebene Kurbelarm keinen metallischen Einsatz zur Herstellung einer lösbaren, langlebigen Verbindung des ersten Durchgangslochs mit einer Tretlagerwelle, insbesondere wenn das erste Durchgangsloch mit einer Kopplungsgeometrie der Tretlagerwelle verbunden ist. Dadurch ist das Gewicht des Kurbelarms im Vergleich zu anderen Kurbelarmen, die Einsätze für die Befestigung an Kopplungsgeometrien metallischer Tretlagerwellen verwenden, reduziert. Darüber hinaus ist der hier beschriebene Kurbelarm vollständig recycelbar, da er aus einem einzigen, recycelbaren Material hergestellt ist. Außerdem kann der hier beschriebene Kurbelarm im Vergleich zu Kurbelarmen mit Metalleinsätzen leicht auf der Tretlagerwelle angebracht und von der Tretlagerwelle entfernt werden, da der Kohlenstoff im Kohlenstoff-Verbundwerkstoff des Kurbelarms als Schmiermittel an der Kopplungsgeometrie der metallischen Tretlagerwelle wirkt. Bei Kurbelarmen mit Metalleinsätzen, die in die Harzmatrix im ersten Endabschnitt mit dem ersten Durchgangsloch eingebettet sind, besteht die Gefahr, dass sie mit der metallischen Kopplungsgeometrie einer Tretlagerwelle kaltverschweißen, was das Entfernen dieser Kurbelarme von der Kopplungsgeometrie schwierig oder unmöglich macht. Die Metalleinsätze erfordern außerdem besondere Vorkehrungen, damit sie sich nicht im Kunststoffmaterial der Kurbel drehen. Die Metalleinsätze haben in der Regel in das Kunststoffmaterial eingebettete Haken, die ein Drehen verhindern. Die Form der Metalleinsätze mit den Haken beeinflusst maßgeblich die endgültige Form der Kurbel. Bei einer Kurbel der vorliegenden Konstruktion ohne eingebettete Metalleinsätze existieren keine derartigen Einschränkungen für die Form der Kurbel. Eingebettete Metalleinsätze erfordern außerdem eine besondere Behandlung, um eine starke Anbindung am Harzmaterial der Kurbel zu erzielen. Die Kurbel des vorliegenden Vorschlags ohne eingebetteten Einsatz erfordert keine solche besondere Behandlung. Die konzentrische Anordnung der Verstärkungsschichten, die die Steifigkeit und Stabilität des Endbereichs der Kurbel um das Durchgangsloch herum gewährleistet, wird selbst von der Kunststoffmatrix, vorzugsweise dem Epoxidharz der Kunststoffmatrix, durchdrungen, so dass sie ein integraler Bestandteil des Kohlenstoff-Verbundwerkstoffs der Kurbel ist.
Um die konzentrische Anordnung der Verstärkungsschichten zu erreichen, können die Verstärkungsschichten um einen Kern im Hohlraum einer Form für die Kurbel gewickelt werden, der das Durchgangsloch definiert. In einer bevorzugten Ausführungsform können so genannte Prepregs verwendet werden, um die konzentrische Anordnung der Verstärkungsschichten um den Kern, der das Durchgangsloch definiert, zu bilden. Prepregs sind Kohlenstofffaserschichten, die mit Harz wie Epoxidharz vorimprägniert sind. Die Prepregs können teilweise ausgehärtet sein. Aufgrund der Haftung des Harzes können die Prepregs präzise um den Kern der Form gewickelt werden. Weitere Stücke bzw. Patches von Kohlenstoff-Verstärkungsschichten können in den Hohlraum der Form, die die Kurbel formt, eingebracht werden. Bei diesen anderen Patches kann es sich ebenfalls um Prepregs handeln. Sie werden vorzugsweise an der Oberfläche des Hohlraums der Form angeordnet. Es können mehrere Patches in der Form angeordnet werden und sie können sich in der Praxis überlappen.
In der Praxis kann die Kurbel heizbalggeformt werden. Zu diesem Zweck wird ein aufblasbarer Balg in den Hohlraum der Form gelegt, nachdem die Kohlenstofffaserschichten, z. B. in Form von Prepregs, in den Hohlraum eingebracht wurden und bevor die Form geschlossen wird. Zusätzliches Harz kann in den Hohlraum der Form eingebracht werden. Der Druck innerhalb der Balg wird gegenüber der Umgebung der Form erhöht, so dass der Balg aufgeblasen wird und das Harz und die Verstärkungsschichten gegen die Wände und Kerne der Form drückt. Der Balg erzeugt einen Hohlraum im Inneren des Kurbelarms. Dadurch wird das Gewicht des Kurbelarms weiter reduziert. Der Balg drückt außerdem die verschiedenen Verstärkungsschichten gegeneinander, was die Steifigkeit des Kurbelarms erhöht. Der Balg hilft auch dabei, Luftblasen aus der Matrix des Kohlenstoff-Verbundwerkstoffs zu entfernen.
Die Anordnung der Schichten aus Kohlenstoffmaterial in einem mittleren Abschnitt des Kurbelarms zwischen dem ersten Endabschnitt und dem zweiten Endabschnitt kann je nach den Erfordernissen der Anwendung gewählt werden. Wenn die Schichten wie oben beschrieben in den Hohlraum eingebracht werden, sind die Schichten des Kohlenstoffverstärkungsmaterials im mittleren Abschnitt des Kurbelarms orthogonal zu den Achsen des ersten und zweiten Durchgangslochs entlang der Oberfläche des Kurbelarms angeordnet, und der mittlere Abschnitt kann hohl sein. Alternativ kann eine laminare Struktur aus Kohlenstofffaserschichten zumindest in einem Teil des mittleren Abschnitts realisiert sein, indem mehrere Kohlenstofffaserschichten übereinander angeordnet werden.
In der Praxis handelt es sich bei den mehreren konzentrisch zur Mittelachse von mindestens einem des ersten und zweiten Durchgangslochs angeordneten Kohlenstofffaserschichten um ringförmige oder spiralförmige Schichten. Eine ringförmige Schicht ist eine Schicht, die mit einem im Wesentlichen konstanten Radius um die Mittelachse des Durchgangslochs angeordnet ist. Mehrere ringförmige Schichten können um die Mittelachse des Durchgangslochs in radialer Richtung aufeinander folgend angeordnet sein, um den Endabschnitt zu bilden. Solche ringförmigen Schichten können in Längen geschnitten sein, die dem Umfang des Kreises entsprechen, auf dem sie sich befinden, oder in kürzeren Längen (d. h. Patches). Eine spiralförmige Schicht hat einen variierenden Radius um das Durchgangsloch und besteht aus mindestens einer Lage aus Kohlenstoffmaterial, das um die Achse des Durchgangslochs gewickelt ist. Die Lage kann einstückig oder durch Aneinanderkleben mehrerer Kohlenstofffaser-Patches hergestellt sein. Der Endabschnitt kann im Wesentlichen aus einer einzigen spiralförmigen Schicht bestehen, die spiralförmig um die Achse des Durchgangslochs gewickelt ist, oder aus zwei oder drei Lagen, die um die Achse des Durchgangslochs gewickelt sind.
In der Praxis ist der Kurbelarm ein einteiliger Kurbelarm, der aus dem Kohlenstoff-Verbundwerkstoff gebildet ist. Das heißt, der Kurbelarm ist ein Körper mit mehreren Kohlenstofffaserschichten oder -Patches und einer durchgehenden Harzmatrix, wobei die Matrix alle Kohlenstofffaserschichten durchdringt und umgibt. Ein einteiliger Kurbelarm ist besonders stabil und leicht an ein Fahrrad montierbar. Wenn der Kurbelarm mit einem Heizbalgformverfahren hergestellt wird, ist der Kurbelarm ein Hohlkörper.
In der Praxis kann das erste Durchgangsloch eine innere gezahnte Kopplungsgeometrie zur Verbindung mit einer komplementären äußeren gezahnten Kopplungsgeometrie einer Tretlagerwelle aufweisen. Mit anderen Worten weist das erste Durchgangsloch eine Reihe von radialen Vorsprüngen auf, die sich in Richtung der Mittelachse erstrecken und mit Nuten oder Vertiefungen an einer äußeren gezahnten Kopplungsgeometrie einer Tretlagerwelle übereinstimmen. Insbesondere können die Kopplungsgeometrien gemäß dem „International Splined Interface Standard“ (ISIS Drive) gestaltet sein. Die Kombination aus einer inneren gezahnten Kopplungsgeometrie in dem ersten Durchgangsloch und einer komplementären Kopplungsgeometrie einer Tretlagerwelle überträgt das Drehmoment effektiv und zuverlässig. Die gezahnten Kopplungsgeometrien können verjüngt sein, im Falle eines ISIS-Interface um 1° in Bezug auf die axiale Richtung.
In der Praxis kann sich die gezahnte Kopplungsgeometrie nur über einen Abschnitt der axialen Länge des ersten Durchgangslochs erstrecken. Angrenzend an die gezahnte Kopplungsgeometrie befindet sich ein Innengewinde zum Anbringen eines Abziehwerkzeugs, des so genannten Kurbelwerkzeugs oder Kurbelabziehers. Die Standardabmessungen des Innengewindes für das Kurbelwerkzeug sind ein M22 x 1 mm Innengewinde.
In der Praxis kann eine Gewindehülse mit einem Innengewinde aus Metall zur Verbindung mit einem Pedal lösbar in das zweite Durchgangsloch eingesetzt sein. Belastungen, die von der Pedalachse in das zweite Durchgangsloch eingeleitet werden, sind häufig mehrachsige Belastungen. Mehrachsige Belastungen können zu erhöhtem Verschleiß in dem zweiten Durchgangsloch führen, wenn keine Vorkehrung getroffen wird. Eine Vorkehrung kann die Verwendung einer metallischen Gewindehülse sein, die in dem zweiten Durchgangsloch eingesetzt ist. Während der bestimmungsgemäßen Verwendung des Kurbelarms und der Gewindehülse ist die Gewindehülse in Kontakt mit dem zweiten Durchgangsloch des Kurbelarms und mit der Pedalachse verbunden. Daher wirken die von der Pedalachse ausgehenden Kräfte auf die Gewindehülse und nicht direkt auf den Kohlenstoff-Verbundwerkstoff des Kurbelarms. Da die Gewindehülse lösbar in das zweite Durchgangsloch eingesetzt ist, kann sie bei Verschleiß ausgetauscht werden, während der Kurbelarm weiter verwendet werden kann. Dadurch wird die Abfallmenge während der Lebensdauer des Kurbelarms reduziert.
Für das Recycling des Kurbelarms kann die Metallhülse einfach entfernt werden.
In der Praxis kann das zweite Durchgangsloch einen inneren polygonalen Abschnitt und die Gewindehülse einen komplementären äußeren polygonalen Abschnitt aufweisen. Der innere polygonale Abschnitt erstreckt sich entlang der axialen Richtung des Durchgangslochs über einen Teil der Länge des Durchgangslochs und hat einen polygonalen Querschnitt. Der innere polygonale Abschnitt des zweiten Durchgangslochs und der äußere polygonale Abschnitt der Gewindehülse bilden eine formschlüssige Verbindung, die eine Drehung der Gewindehülse im zweiten Durchgangsloch unterbindet. Der innere polygonale Abschnitt und der äußere polygonale Abschnitt können hexagonale Abschnitte mit hexagonalem Querschnitt sein. Alternativ können die polygonalen Abschnitte weniger als sechs Seiten haben, zum Beispiel können die polygonalen Abschnitte dreieckige oder rechteckige Abschnitte sein. Es ist auch möglich, einen polygonalen Abschnitt mit mehr Seiten zu verwenden, zum Beispiel achtseitige Abschnitte.
An einem Ende des polygonalen Abschnitts des zweiten Durchgangslochs befindet sich ein ringförmiger Vorsprung, der radial zur Mitte des zweiten Durchgangslochs hin vorsteht. Ein ringförmiger Endabschnitt der Gewindehülse mit einem kleinen Durchmesser ragt in den Innendurchmesser dieses ringförmigen Vorsprungs hinein. Der ringförmige Vorsprung fixiert die Gewindehülse innerhalb des zweiten Durchgangslochs in axialer Richtung.
Ferner kann die Gewindehülse einen ringförmigen Kragen aufweisen und das zweite Durchgangsloch kann einen komplementären ringförmigen Endabschnitt in axialer Richtung zur Aufnahme dieses Kragens aufweisen. Dieser ringförmige Endabschnitt hat einen Durchmesser, der gleich oder größer ist als der maximale Durchmesser des polygonalen Abschnitts. Der ringförmige Endabschnitt und der polygonale Abschnitt der Gewindehülse können in der axialen Richtung des zweiten Durchgangslochs, in dem die Gewindehülse eingebracht ist, aneinander angrenzend angeordnet sein. Der ringförmige Kragen und der Endabschnitt des Durchgangslochs können auf einer Seite des Kurbelarms angeordnet sein, die einem mit dem Kurbelarm verbundenen Pedal gegenüberliegt. Wenn also die Gewindeachse eines Pedals in die Gewindehülse geschraubt wird, bilden der ringförmige Kragen und das Pedal eine formschlüssige Verbindung in der axialen Richtung des zweiten Durchgangslochs. In diesem Fall ist der ringförmige Kragen der Kette eines Fahrrads zugewandt, an welches der Kurbelarm montiert ist. Der ringförmige Kragen wird daher schnell durch Kettenfett verschmutzt, deckt aber den Rest des Durchgangslochs gegen solche Verschmutzungen ab. Die ringförmigen Formen des Kragens und des Endabschnitts sind leicht zu reinigen, da sie keine Ecken aufweisen.
Die Gewindehülse kann auch aus einem Kohlenstoff-Verbundwerkstoff gebildet sein, aber im Allgemeinen ist die Gewindehülse aus Metall gebildet. Wenn die Gewindehülse aus einem Kohlenstoff-Verbundwerkstoff gebildet ist, ist das Entfernen der Gewindehülse vom Kurbelarm am Ende der Lebensdauer des Kurbelarms vor dem Recycling des Kurbelarms nicht erforderlich. Der komplette Kurbelarm kann zusammen mit der Gewindehülse recycelt werden. Wenn die Gewindehülse aus Metall gebildet ist, ist sie verschleißfester, muss aber vor dem Recycling von dem Kurbelarm entfernt werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Herstellungsverfahren für den oben beschriebenen Kurbelarm. Das Herstellungsverfahren umfasst die Schritte

- Einbringen von Kohlenstofffaserschichten in eine Form für den Kurbelarm;
- Hinzugeben von Kunstharz in die Form;
- Aushärten des Kunstharzes.

Dabei werden mehrere Kohlenstofffaserschichten konzentrisch zu einer Achse angeordnet, die die Mittelachse mindestens eines des ersten und zweiten Durchgangslochs bildet. Somit bilden die konzentrischen Kohlenstofffaserschichten zumindest einen Teil des ersten und/oder zweiten Endabschnitts.
Die mehreren Kohlenstofffaserschichten können um einen Kern der Form gewickelt werden, der das Durchgangsloch definiert. Die Kohlenstofffaserschichten können als Prepregs eingebracht werden, die mit Harz vorimprägniert sind, so dass sie am Kern haften. Weitere Kohlenstofffaserschichten können in den Hohlraum der Form eingebracht werden, bevor die Form geschlossen und die Harzmatrix ausgehärtet wird. Die Kurbel kann heizbalggeformt sein. In diesem Fall wird ein Balg in der Form platziert und während des Aushärtens expandiert.
Bezüglich des Herstellungsverfahrens wird auch auf die obige Beschreibung des Kurbelarms verwiesen, in der Schritte des Herstellungsverfahrens offenbart sind. Die in die Form eingebrachten konzentrischen Kohlenstofffaserschichten können mehrere ringförmige Schichten oder mindestens eine spiralförmige Schicht sein. Wiederum ist das Material um das Durchgangsloch herum bestens gegen radiale Ausdehnung geschützt, wenn die konzentrischen Faserschichten aus Endlos-Kohlenstofffasern gebildet sind.
In der Praxis kann bei der Herstellung des Kurbelarms Material aus dem ausgehärteten Kurbelarm durch zerspanende Bearbeitung des ersten Endabschnitts mit den konzentrischen Kohlenstofffaserschichten abgetragen werden, um das erste Durchgangsloch zu bilden. In anderen Worten wird der Kurbelarm zunächst als integraler Block ohne Durchgangslöcher oder mit Durchgangslöchern kleinen Durchmessers geformt und dann ausgehärtet. In einem oder mehreren nachfolgenden Schritten wird die endgültige innere Form des ersten Durchgangslochs durch Zerspanen erhalten. Vorzugsweise enthält das Volumen des ausgehärteten Kurbelarms, das abgetragen wird, um die endgültige Form des ersten Durchgangslochs zu erhalten, keine oder nur lokal Kohlenstoffverstärkungsfasern. Das heißt, dass im Wesentlichen keine Kohlenstofffasern in dem Bereich angeordnet werden, in dem die endgültige Form des ersten Durchgangslochs sein wird. Alternativ werden Kohlenstofffasern nur in der äußeren Region dieses Bereichs angeordnet, so dass die Vorsprünge nach der zerspanenden Bearbeitung des ersten Durchgangslochs Kohlenstofffasern enthalten.
Wenn Material aus dem ersten Endabschnitt herausgeschnitten wird, beispielsweise durch Fräsen oder Räumen, kann die endgültige Form des ersten Durchgangslochs in der Praxis komplementär zu einer äußeren Kopplungsgeometrie einer Tretlagerwelle eines Fahrrads geformt werden. Insbesondere kann ein Schneidewerkzeug mit einer Form, die der gezahnten Kopplungsgeometrie einer Tretlagerwelle entspricht, eingesetzt werden, um die endgültige Form des ersten Durchgangslochs herzustellen. Diese endgültige Form des ersten Durchgangslochs kann einer inneren Kopplungsgeometrie gemäß dem „International Splined Interface Standard“ (ISIS Drive) entsprechen.
In der Praxis kann auch Material durch zerspanende Bearbeitung vom zweiten Endabschnitts des ausgehärteten Kurbelarms abgetragen werden, um das zweite Durchgangsloch zu bilden. Das Zerspanen des zweiten Endabschnitts kann auf die gleiche Weise erfolgen wie das Zerspanen des ersten Endabschnitts.
Als eine Alternative kann der Hohlraum der Form so geformt sein, dass so viele Strukturelemente und Formen des Kurbelarms wie möglich definiert sind, z. B. einschließlich der konischen Kopplungsgeometrie und/oder dem Innengewinde des ersten Durchgangslochs und dem polygonalen Abschnitt, dem ringförmigen Vorsprung und/oder dem ringförmigen Endabschnitt des zweiten Durchgangslochs. In diesem Fall kann der größte Teil der zerspanenden Bearbeitung entfallen und die Herstellung des Kurbelarms ist weniger kostspielig. Es kann auch möglich sein, einige der Strukturelemente und Formen des Kurbelarms während des Formprozesses zu definieren und dann den Rest der Strukturelemente und Formen durch zerspanende Bearbeitung hinzuzufügen oder weiter zu definieren.
Die Erfindung betrifft auch eine Kurbelarmanordnung mit einem Kurbelarm gemäß der obigen Beschreibung, vorzugsweise aufweisend ein Ritzel, ein Tretlager mit einer eine metallische Kopplungsgeometrie aufweisenden Tretlagerwelle und ein Pedal. Mit anderen Worten umfasst die Kurbelarmanordnung vorzugsweise eine Kurbelgarnitur, ein Tretlager und ein Pedal. Bei einem Elektrofahrrad kann das Tretlager Teil eines Elektroantriebs sein, und das Ritzel ist an dem Elektroantrieb befestigt. Das Pedal ist lösbar mit dem Kurbelarm verbunden, und der Kurbelarm ist über das erste Durchgangsloch lösbar mit der metallischen Kopplungsgeometrie der Tretlagerwelle verbunden. Weitere Details der Kurbelarmanordnung sind in der obigen Beschreibung des Kurbelarms und seines Herstellungsverfahrens beschrieben. Das Ritzel kann direkt mit dem Kurbelarm verbunden sein, zum Beispiel mittels Schrauben. Zusätzlich oder alternativ kann das Ritzel mit der Tretlagerwelle verbunden sein. Wenn das Ritzel mit der Tretlagerwelle verbunden ist, kann die Verbindung eine formschlüssige Verbindung mit einer Standard-Kopplungsgeometrie sein. Es ist auch möglich, mehrere Ritzel mit der Kurbel oder der Tretlagerwelle zu verbinden, indem ein sogenannter Spider verwendet wird.
Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung werden nachstehend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben.

1 zeigt den erfindungsgemäßen Kurbelarm in einer ersten Seitenansicht mit einer in das zweite Durchgangsloch eingesetzten Gewindehülse;
2 zeigt den Kurbelarm aus 1 in einer zweiten, der ersten Seitenansicht gegenüberliegenden Seitenansicht;
3 zeigt eine entlang der Ebene A-A in 1 geschnittene Schnittdarstellung des Kurbelarms aus 1;
4 zeigt eine Vergrößerung des Ausschnitts Z der Schnittdarstellung aus 3;
5 zeigt die Gewindehülse in einer Seitenansicht;
6 zeigt die Gewindehülse in der Draufsicht;
7 zeigt ein Flussdiagramm eines Herstellungsprozesses zur Herstellung des Kurbelarms; und
8 zeigt eine erfindungsgemäße Kurbelarmanordnung.

In den Figuren sind identische Teile mit identischen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Bezugnehmend auf die 1 bis 3 ist der Kurbelarm 1 für ein Fahrrad ein flacher, länglicher Körper. Der Kurbelarm 1 hat ein erstes Durchgangsloch 2 an einem ersten Endabschnitt 3 zur Verbindung mit einer Kopplungsgeometrie einer Tretlagerwelle eines mit dem Fahrrad verbundenen Tretlagers. Der Kurbelarm 1 hat ferner ein zweites Durchgangsloch 4 an einem zweiten Endabschnitt 5 zur Verbindung mit einem Pedal. Das erste und zweite Durchgangsloch 2, 4, die sich durch den flachen Kurbelarm 1 erstrecken, haben parallele Achsen. Am ersten und zweiten Endabschnitt 3, 5 weist der Kurbelarm runde Enden auf. Zwischen dem ersten und zweiten Endabschnitt 3, 5 erstreckt sich ein länglicher und hohler mittlerer Abschnitt 6. Der hohle mittlere Abschnitt 6 wird durch Aufblasen eines Balgs im Inneren der Form vor und während des Aushärtens des Harzes gebildet. In der Oberfläche des langgestreckten mittleren Abschnitts des Kurbelarms 1 ist eine konkave Vertiefung ausgebildet.
Der Kurbelarm 1 ist aus einem Kohlenstoff-Verbundwerkstoff gebildet, der mehrere Schichten von Kohlenstofffasern umfasst, die in eine Matrix eingebettet sind. Im ersten Endabschnitt 3 sind mehrere Kohlenstofffaserschichten konzentrisch zu einer Mittelachse 7 des ersten Durchgangslochs 2 als spiralförmige Schichten 8 angeordnet. Alternativ können mehrere Kohlenstofffaserschichten konzentrisch zur Mittelachse 7 des ersten Durchgangslochs 2 als ringförmige Schichten angeordnet sein (nicht dargestellt). Im zweiten Endabschnitt 5 und im mittleren Abschnitt 6 sind die Kohlenstofffaserschichten im Allgemeinen flach und schichtweise in Ebenen angeordnet, die im Wesentlichen orthogonal zur Mittelachse 7 verlaufen, um eine laminare Struktur zu bilden. Im hohlen mittleren Abschnitt 6 befinden sich die Schichten nahe der Oberfläche, während im massiven zweiten Endabschnitt 5 mehrere Schichten über die gesamte Dicke des Kurbelarms 1 angeordnet sind. Die flachen, einzeln geschichteten Kohlenstofffaserschichten sind in den Figuren nicht dargestellt, lediglich die einzelnen spiralförmigen Schichten 8 im ersten Endabschnitt 3 sind abgebildet (nicht maßstabsgetreu). Die Polymermatrix, in die alle Kohlenstofffaserschichten eingebettet sind, ist beispielsweise aus Epoxidharz gebildet und durchdringt den Kohlenstoff-Verbundwerkstoff des Kurbelarms durchgehend. Somit ist der Kurbelarm 1 aus lediglich einem Stück gefertigt.
Das erste Durchgangsloch 2 des Kurbelarms 1 weist einen sich in Richtung der Mittelachse 7 erstreckenden Abschnitt mit einer inneren gezahnten Kopplungsgeometrie (Interface) auf. Die innenverzahnte Kopplungsgeometrie umfasst eine Mehrzahl von Zähnen 9 oder Vorsprüngen 9, die nach innen in Richtung der Mittelachse 7 hervorragen und komplementär zu Nuten oder Vertiefungen an einer entsprechenden Kopplungsgeometrie einer Tretlagerwelle geformt sind. Somit kann der Kurbelarm 1 mit einer äußeren gezahnten Kopplungsgeometrie einer Tretlagerwelle verbunden werden. In den Figuren weist das erste Durchgangsloch 2 vierzehn Vorsprünge 9 auf, die sich im Wesentlichen parallel zur Mittelachse 7 erstrecken. Wie am deutlichsten in 3 zu sehen ist, sind die Vorsprünge 9 leicht in Richtung der Mittelachse 7 geneigt, so dass sich das Durchgangsloch 2 in dem Abschnitt mit den Vorsprüngen 9 in Richtung der Mittelachse 7 leicht verjüngt. Die Darstellung des verjüngten Abschnitts in den Figuren ist nicht maßstabsgetreu, d. h. die Verjüngung kann in der Praxis mehr oder weniger stark ausgeprägt sein als in den Figuren dargestellt. Auf die Verjüngung in einer praktischen Ausführungsform auch ganz verzichtet werden (nicht dargestellt). Auch kann das erste Durchgangsloch 2 in der Praxis mehr oder weniger als vierzehn Vorsprünge 9 aufweisen. Insbesondere kann das erste Durchgangsloch 2 derart gebildet sein, dass es zu einer äußeren gezahnten Kopplungsgeometrie gemäß dem sogenannten „International Splined Interface Standard“ (ISIS Drive) passt. Angrenzend an den konischen Abschnitt in der axialen Richtung des ersten Durchgangslochs 2 weist das erste Durchgangsloch 2 einen ringförmigen Abschnitt mit einem M22 x 1 mm Innengewinde auf. Bei der Verwendung des Kurbelarms kann ein Schraubenkopf (vgl. 8) innerhalb dieses ringförmigen Abschnitts befestigt werden. Ein komplementäres Gewinde eines Zapfens eines Abziehwerkzeugs kann in das M22 x 1 mm Gewinde geschraubt werden, um den Kurbelarm von einer Tretlagerwelle zu entfernen.
Bezugnehmend auf die 3 bis 6 ist eine metallische Gewindehülse 10 lösbar in das zweite Durchgangsloch 4 eingesetzt. Wie am deutlichsten in 4 zu sehen ist, weist die Gewindehülse 10 ein Innengewinde 11 zur Verbindung der eingesetzten Gewindehülse 10 mit einer Pedalachse auf. Um ein Drehen der Gewindehülse 10 im zweiten Durchgangsloch 4 zu unterbinden, weisen die Gewindehülse 10 und das zweite Durchgangsloch 4 komplementäre Geometrien mit polygonalen Abschnitten 12, 14 auf. Insbesondere weist das zweite Durchgangsloch 4 einen inneren polygonalen Abschnitt 12 auf, der sich parallel zu einem Abschnitt einer Mittelachse 13 des zweiten Durchgangslochs 4 erstreckt. Der Begriff „polygonaler Abschnitt“ bezieht sich auf einen polygonalen Querschnitt des Durchgangslochs 4, der sich über einen Abschnitt der axialen Länge des Durchgangslochs 4 erstreckt. Komplementär zum inneren polygonalen Abschnitt 12 weist die Gewindehülse 10 einen äußeren polygonalen Abschnitt 14 auf, der sich ebenfalls in axialer Richtung der Mittelachse 13 des zweiten Durchgangslochs 4 in 4 erstreckt, wenn sie in das zweite Durchgangsloch 4 eingesetzt ist. Der äußere polygonale Abschnitt 14 der Gewindehülse 10 ist im Detail in den 5 und 6 dargestellt. In diesen Figuren ist der äußere polygonale Abschnitt 14 ein Hexagon. Alternativ kann die Gewindehülse 10 einen polygonalen Abschnitt mit einem anderen Querschnitt aufweisen, wie z. B. ein Dreieck, ein Rechteck oder ein Achteck (in den Figuren nicht dargestellt). Der innere polygonale Abschnitt 12 des Durchgangslochs 4 ist immer komplementär zum äußeren polygonalen Abschnitt 14 der Gewindehülse ausgebildet.
Angrenzend an den äußeren polygonalen Abschnitt 14 in Richtung der Mittelachse 13 des zweiten Durchgangslochs 4 weist die Gewindehülse 10 einen ringförmigen Kragen 15 auf. Der ringförmige Kragen 15 passt zu einem komplementären Abschnitt des zweiten Durchgangslochs 4. Dieser komplementäre Abschnitt ist ein ringförmiger Endabschnitt 16 in der axialen Richtung des zweiten Durchgangslochs 4 und ist auf einer Seite des Kurbelarms 1 gelegen, die bei der bestimmungsgemäßen Verwendung des Kurbelarms 1 vom Pedal abgewandt ist. Die Begriffe „ringförmiger Kragen“ und „ringförmiger Endabschnitt“ beziehen sich auf kreisförmige Querschnitte des Kragens 15 und des Endabschnitts 16 orthogonal zur Mittelachse 13. Wenn ein Gewindezapfen einer Pedalachse von einer dem ringförmigen Endabschnitt 16 gegenüberliegenden Seite in das Innengewinde 11 der Gewindehülse 10 geschraubt wird, klemmen die Pedalachse und der ringförmige Kragen 15 das zweite Durchgangsloch 4 des Kurbelarms 1 ein.
Bei der hier beschriebenen Ausführungsform des Kurbelarms 1 weist das zweite Durchgangsloch 4 einen ringförmigen Vorsprung 17 auf. Der ringförmige Vorsprung 17 ist als Schulter ausgebildet und ist an dem Ende des polygonalen Abschnitts 14 gegenüber dem ringförmigen Endabschnitt 16 in der Richtung der Mittelachse 13 gelegen. Die Gewindehülse 10 weist einen komplementären ringförmigen Endabschnitt 18 auf der dem Kragen 15 in der Richtung der Mittelachse 13 gegenüberliegenden Seite auf. Der komplementäre ringförmige Endabschnitt 18 der Gewindehülse 10 weist einen geringeren Durchmesser auf als der äußere polygonale Abschnitt 14 und ist innerhalb des inneren Durchmessers des ringförmigen Vorsprungs 17 angeordnet. Dadurch ist der ringförmige Vorsprung 17 zwischen dem polygonalen Abschnitt 14 der Gewindehülse 10 und einem Kragen der Pedalachse eingeklemmt, so dass die Gewindehülse 10 in dem zweiten Durchgangsloch 4 befestigt ist.
Der oben beschriebene Kurbelarm kann nach dem in 7 in Form eines Flussdiagramms dargestellten Herstellungsverfahren hergestellt werden. In einem ersten Herstellungsschritt f1 werden eine Kurbelform und Kohlenstofffaserschichten oder Patches aus Kohlenstofffasern in Gestalt von Prepregs bereitgestellt.
In einem zweiten Herstellungsschritt f2 werden die Kohlenstofffaserschichten konzentrisch um einen Kern angeordnet, der sich in einem ersten Endabschnitt des Hohlraums der Kurbelarmform befindet. Wenn Prepregs verwendet werden, haften die Schichten an dem Kern und aneinander. Der erste Endabschnitt der Form definiert die äußere Geometrie des ersten Endabschnitts des Kurbelarms. Die Form hat ferner einen zweiten Endabschnitt, der die äußere Geometrie des zweiten Endabschnitts des Kurbelarms definiert, und einen länglichen mittleren Abschnitt zwischen dem ersten und zweiten Endabschnitt der Form, der die äußere Geometrie des Mittleren Abschnitts des Kurbelarms definiert.
In einem dritten Herstellungsschritt f3 werden flache Kohlenstofffaserschichten in den mittleren Abschnitt und den zweiten Endabschnitt der Form gelegt. Im hohlen mittleren Abschnitt erstrecken sich die Schichten parallel zur Oberfläche des Kurbelarms. In den zweiten Endabschnitt können die Schichten je nach der der erforderlichen Steifigkeit der verschiedenen Bereiche dieses Endabschnitts eingebracht werden. Beispielsweise können die Verstärkungsschichten um einen Kern herum angeordnet werden, wenn ein Kern verwendet wird, um das zweite Durchgangsloch zu definieren.
In einem vierten Herstellungsschritt f4 wird ein Kunstharz in die Form eingebracht, das mögliche Hohlräume zwischen den Kohlenstoffschichten ausfüllt und die Kohlenstofffaserschichten durchdringt. Das am häufigsten verwendete Harz ist ein Epoxidharz.
In einem fünften Herstellungsschritt f5 wird der Kurbelarm ausgehärtet und anschließend aus der Form entformt. Nach diesem Schritt kann der ausgehärtete Kurbelarm bereits die endgültige äußere Form aufweisen. Alternativ kann der Kurbelarm eine zerspanende Nachbearbeitung erfahren, z. B. durch Fräsen und/oder Schleifen, um die endgültige äußere Form zu erhalten. Zum Beispiel können Aussparungen in Volumina des Kurbelarms erzeugt werden, die gering belastetet werden, um das Gewicht des Kurbelarms zu verringern.
In einem sechsten Herstellungsschritt f6 kann Material von dem ersten und/oder zweiten Endabschnitt des ausgehärteten Kurbelarms durch Zerspanen abgetragen werden, insbesondere durch Bohren oder Fräsen, um ein rundes Durchgangsloch zu bilden. Anschließend können in dem runden Durchgangsloch spezielle Geometrien ausgebildet werden. Beispielsweise kann Material von dem ersten runden Durchgangsloch im ersten Endabschnitt durch Räumen abgetragen werden, so dass Vorsprünge zwischen den geräumten Volumina gebildet werden. Insbesondere kann in dem ersten Durchgangsloch eine Geometrie mit einer inneren gezahnten Kopplungsgeometrie gebildet werden, die komplementär zu einer äußeren gezahnten Kopplungsgeometrie einer Tretlagerwelle ist. Zusätzlich oder alternativ können ein innerer polygonaler Abschnitt und ringförmige Endabschnitte des zweiten Durchgangslochs durch das Zerspanen gebildet werden.
8 zeigt eine Kurbelarmanordnung mit einer Ausführungsform des Kurbelarms 1. Die Kurbelarmanordnung umfasst den Kurbelarm 1, eine Tretlagerwelle 19 und ein Pedal 20. Die Tretlagerwelle 19 ist im Allgemeinen ein im Wesentlichen zylindrischer Körper und weist eine metallische äußere Kopplungsgeometrie 21 an einem ersten Endabschnitt auf. Dieser Endabschnitt weist auch ein Loch in der axialen Richtung der Tretlagerwelle 19 mit einem Innengewinde 22 auf. Die äußere Kopplungsgeometrie 21 der Tretlagerwelle 19 weist eine konische Zahngeometrie mit Nuten auf und passt zu der inneren Kopplungsgeometrie des Kurbelarms 1. Die Kopplungsgeometrie 21 der Tretlagerwelle 19 ist in den konischen Teil des ersten Durchgangslochs 2 des Kurbelarms 1 eingesetzt, und bildet eine formschlüssige Verbindung mit dem Kurbelarm 1. Die Tretlagerwelle 19 ragt aus dem ersten Durchgangsloch 2 in der Richtung der Mittelachse 7 der Tretlagerwelle 19 zu einer ersten Seite des Kurbelarms 1 hervor. Eine Schraube 23 wird in das erste Durchgangsloch 2 eingesetzt und von einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Kurbelarms 1 in das Innengewinde 22 der Tretlagerwelle 19 eingeschraubt. Die Schraube 23 zieht die Kopplungsgeometrie 21 der Tretlagerwelle 19 in die innere Kopplungsgeometrie des Kurbelarms 1. Aufgrund der Verjüngung der Kopplungsgeometrien der Tretlagerwelle und des Kurbelarms induziert die Schraube einen starken radialen Druck in die Kopplungsgeometrien.
Das Pedal 20 der Kurbelarmanordnung ist lösbar mit dem zweiten Durchgangsloch 4 des Kurbelarms 1 verbunden. Das Pedal kann ein Klickpedal sein, es kann aber auch jede andere Art von Pedal verwendet werden. Das Pedal 20 umfasst einen Hauptkörper 24, der sich frei um die Mittelachse 13 des zweiten Durchgangslochs 4 dreht. Ferner weist das Pedal 20 eine Achse mit einem zylindrischen Endabschnitt 25, einer Schulter 26 und einem Außengewinde 27 auf. Das Außengewinde 27 der Pedalachse 20 ist in die Gewindehülse 10 eingeschraubt, die in das zweite Durchgangsloch 4 von der gegenüberliegenden Seite eingeführt ist. Die Schulter 26 des zylindrischen Endabschnitts 25 liegt an dem ringförmigen Vorsprung 17 innerhalb des zweiten Durchgangslochs 4 an. Dadurch wird der Kurbelarm 1 zwischen der Schulter 26 der Pedalachse und der Gewindehülse 10 in der Richtung der Achse 13 des zweiten Durchgangslochs 4 lösbar eingeklemmt.
Die oben beschriebene Kurbelarmanordnung kann montiert werden, indem das erste Durchgangsloch 2 mittels der Kurbelschraube auf die äußere Kopplungsgeometrie der Tretlagerwelle 19 gedrückt wird. Aufgrund der konischen Kopplungsgeometrie der Tretlagerwelle und der entsprechenden Geometrie des ersten Durchgangslochs des Kurbelarms bewirkt eine auf den Kurbelarm ausgeübte Druckkraft in Richtung der Mittelachse des ersten Durchgangslochs eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Kurbelarm und der Tretlagerwelle. Zusätzlich bilden die komplementären Geometrien der äußeren gezahnten Kopplungsgeometrie der Tretlagerwelle (Nuten) und der inneren gezahnten Kopplungsgeometrie des ersten Durchgangslochs (Vorsprünge) eine formschlüssige Verbindung. Somit wird ein Drehmoment effektiv von der Kurbel auf die Tretlagerwelle übertragen. Die Gewindehülse gemäß der obigen Beschreibung mit einem Innengewinde wird von der ersten Seite des Kurbelarms, die zur Tretlagerwelle gerichtet ist, in das zweite Durchgangsloch eingeführt. Dann wird, von einer zweiten Seite des Kurbelarms, die der ersten Seite gegenüberliegt, ein ein Gewinde aufweisender Endabschnitt der Pedalachse in das Innengewinde der Gewindehülse eingeschraubt.
Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Sie kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des Fachmanns variiert werden.
Bezugszeichen

1: Kurbelarm
2: erstes Durchgangsloch
3: erster Endabschnitt
4: zweites Durchgangsloch
5: zweiter Endabschnitt
6: mittlerer Abschnitt
7: Mittelachse des ersten Durchgangslochs
8: spiralförmige Schichten
9: Zähne, Vorsprünge
10: Gewindehülse
11: Innengewinde
12: innerer polygonaler Abschnitt des zweiten Durchgangslochs
13: Mittelachse des zweiten Durchgangslochs
14: äußerer polygonaler Abschnitt der Gewindehülse
15: ringförmiger Kragen der Gewindehülse
16: ringförmiger Endabschnitt des zweiten Durchgangslochs
17: ringförmiger Vorsprung des zweiten Durchgangslochs
18: ringförmiger Endabschnitt der Gewindehülse
19: Tretlagerwelle
20: Pedal
21: äußere Kopplungsgeometrie der Tretlagerwelle
22: Innengewinde der Tretlagerwelle
23: Schraube
24: Hauptkörper des Pedals
25: zylindrischer Endabschnitt der Pedalachse
26: Schulter des Endabschnitts der Pedalachse
27: Gewinde des Endabschnitts der Pedalachse
f1: erster Herstellungsschritt
f2: zweiter Herstellungsschritt
f3: dritte Herstellungsschritt
f4: vierter Herstellungsschritt
f5: fünfter Herstellungsschritt
f6: sechster Herstellungsschritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2006199 A2 [0006]
US 20210387694 A1 [0007]
DE 202014103455 U1 [0008]

Claims

Kurbelarm (1) für ein Fahrrad mit einem ersten Durchgangsloch (2) an einem ersten Endabschnitt (3) zur Verbindung mit einer Tretlagerwelle eines Fahrrads, und einem zweiten Durchgangsloch (4) an einem zweiten Endabschnitt (5) zur Verbindung mit einem Pedal, wobei der Kurbelarm (1) aus einem Kohlenstoff-Verbundwerkstoff gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kohlenstofffaserschichten konzentrisch zu einer Mittelachse (7, 13) von mindestens einem des ersten und zweiten Durchgangslochs (2, 4) angeordnet sind.
Kurbelarm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren konzentrisch zu einer Mittelachse (7, 13) von mindestens einem des ersten und zweiten Durchgangslochs (2, 4) angeordneten Kohlenstofffaserschichten mindestens eine der folgenden sind: • ringförmige Schichten; • spiralförmige Schichten (8); • gebildet aus Endlos-Kohlenstofffasern; • gebildet aus unidirektionalen Kohlenstofffasern.
Kurbelarm nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurbelarm (1) ein einteiliger Kurbelarm ist, der aus dem Kohlenstoff-Verbundwerkstoff gebildet ist.
Kurbelarm nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Durchgangsloch (2) eine innere gezahnte Kopplungsgeometrie mit Vorsprüngen (9) zur Verbindung mit einer komplementären äußeren gezahnten Kopplungsgeometrie einer Tretlagerwelle aufweist.
Kurbelarm nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gewindehülse (10) mit einem Innengewinde (11) zur Verbindung mit einem Pedal lösbar in das zweite Durchgangsloch (4) eingesetzt ist.
Kurbelarm nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Durchgangsloch (4) einen inneren polygonalen Abschnitt (12) und die Gewindehülse (10) einen komplementären äußeren polygonalen Abschnitt (14) aufweist.
Kurbelarm nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindehülse einen ringförmigen Kragen (15) aufweist und das zweite Durchgangsloch (4) einen komplementären ringförmigen Endabschnitt (16) zur Aufnahme dieses Kragens (15) aufweist.
Kurbelarm nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindehülse (10) aus Kohlenstoff-Verbundwerkstoff gebildet ist.
Kurbelarm nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindehülse (10) aus Metall gebildet ist.
Herstellungsverfahren für den Kurbelarm nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend die Schritte - Einbringen von Kohlenstofffaserschichten in eine Form für den Kurbelarm (f2, f3); - Einbringen von Kunstharz in die Form (f4); - Aushärten des Kunstharzes (f5); dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kohlenstofffaserschichten konzentrisch zu einer Achse angeordnet werden, die die Mittelachse mindestens eines des ersten und zweiten Durchgangslochs bildet (f1).
Herstellungsverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Kohlenstofffaserschichten um einen Kern der Form gewickelt werden, der das Durchgangsloch definiert.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass Material durch zerspanende Bearbeitung von mindestens einem des ersten und zweiten Endabschnitts des ausgehärteten Kurbelarms abgetragen wird (f6).
Herstellungsverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abschnitt des ersten Durchgangslochs komplementär zu einer äußeren Kopplungsgeometrie ausgebildet ist (f6).
Kurbelarmanordnung mit einem Kurbelarm nach einem der Ansprüche 1 bis 9, einer Tretlagerwelle mit einer metallischen Kopplungsgeometrie und einem Pedal, wobei das Pedal lösbar mit dem Kurbelarm verbunden ist und der Kurbelarm über das erste Durchgangsloch lösbar mit der metallischen Kopplungsgeometrie verbunden ist.