DE202007019264U1

DE202007019264U1 - Speichenrad

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Publication number: DE202007019264U1
Application number: DE202007019264U
Authority: DE
Original assignee: Mavic SAS
Current assignee: Mavic SAS
Priority date: 2006-05-12
Filing date: 2007-05-04
Publication date: 2011-12-05
Anticipated expiration: 2017-05-05
Also published as: ES2443156T3; CN101472747B; DE202007019514U1; EP2311649B1; EP2193930A1; EP2311649A3; EP2021190B2; EP2193930B1; WO2007135259A1; EP2021189B1; EP2021190B1; EP2021189A1; FR2900869A1; CN101472747A; FR2900869B1; WO2007135260A1; EP2021190A1; US20090160243A1; US8162407B2; US8215720B2

Abstract

Speichenrad mit einer peripheren Felge (20, 120), einer zentralen Nabe (30, 130) und einzelnen Verbindungsspeichen (40, 50, 140, 150) zwischen der Felge und der Nabe, wobei die Speichen auf zwei Lagen aufgeteilt sind, dadurch gekennzeichnet, dass in dem freien Zustand die Speichen (40, 50, 140, 150) ohne Spannung oder Druck zwischen der Felge und der Nabe montiert sind, und dadurch, dass jede Speiche eine Druckbelastung von mindestens 60 daN ohne Knicken ertragen kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein neues Konzept für ein Rad mit Stäben, insbesondere für ein Fahrrad. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Rad mit Stäben, welches zumindest einen solchen Stab aufweist, sowie ein Rollgerät, insbesondere ein Fahrrad, das mit zumindest einem solchen Rad ausgestattet ist.
Das Rad existiert seit Anbeginn der Zeit. Die ersten Räder waren massiv. Eine erste Verbesserung bestand in der Konstruktion von Rädern mit Stäben, die leichter waren. Solche Stäbe wurden unter Druck und Biegung durch eine Felge verbunden. Danach wurde das Rad mit einem metallischen Ring umgeben und die Stäbe wurden unter Druck vorgespannt. Die Patentanmeldung CH91759 beschreibt eine solche Konstruktion.
Die Erfindung des Speichenrads mit Zugdrähten trat im Jahr 1866 auf, sie geht auf Eugen Meyer zurück. Diese Erfindung erlaubte Räder zu konstruieren, wobei der Querschnitt der Speichen deutlich reduziert wurde, wobei ein Gewichtsvorteil sehr wichtig war. Weiterhin wurde es möglich, den Durchmesser der Räder zu vergrößern, und dabei ihre Ausdehnung zu vergrößern, wie das der Fall war mit den großen Rädern bzw. bis aus Stahl, deren Tretlager auf dem Triebrad in direkter Gefahr war. Im Folgenden werden die Ausdrücke Speichen unter Zug/Spannung ohne Unterschied für eine positive Spannung der Speichen verwendet.
Üblicherweise umfasst ein Speichenrad eine periphere Felge, die zur Aufnahme eines Luftreifens, einer zentralen Nabe und von Verbindungsspeichen zwischen der Felge und der Nabe vorgesehen ist. Die Anzahl der Speichen ist entsprechend der Art der Räder variable, sie variiert im allgemeinen zwischen 12 und 40. Im allgmeinen sind die Speichen auf zwei Lagen aufgeteilt, die die Felge mit einem Ende der Nabe verbinden. Die Speichen jeder Lage bilden einen Winkel mit der Medianebene der Felge, die üblicherweise als Regenschirmwinkel bezeichnet wird.
Die Speichen verbinden strukturell die Felge und die Nabe, was es ermöglicht, dem Rad eine gute Steifigkeit und eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Belastungen zu verleihen. Die externen Belastungen, denen ein Rad bei seiner Benutzung unterworfen wird, können aufgeteilt werden in eine radiale Belastung, die entlang der Medianebene der Felge geführt wird, eine laterale Belastung, die senkrecht zu dieser Ebene geführt wird, und eine Antriebsbelastung oder umgekehrt eine Bremsbelastung tangential zum Kreis des Rades, die der Übertragung eines Drehmoments zwischen der Nabe und der Felge entspricht.
Heutzutage existieren andere Radkonstruktionen als Zugspeichenräder. Man kennt z. B. massive Räder oder Räder mit Stäben, die aus einem Verbundmaterial herstellt sind, und die hauptsächlich aufgrund ihrer aerodynamischen Eigenschaften verwendet werden. Die Patentanmeldungen WO 2004/033231 und FR 2701899 beschreiben solche Räder. Es existieren weiterhin gegossene Räder, die aus einem Leichtmetall (Aluminium, Magnesium oder Titan) hergestellt sind. Solche Räder sind z. B. aus den Patentanmeldungen EP 1016552 und WO 2004/108515 bekannt.
Im Fall von Rädern mit Stäben aus Verbundmaterial, oder aus gegossenen Legierungen, ist die Anzahl der Stäbe in der Größenordnung von drei bis fünf Speichenstäben pro Rad reduziert. Tatsächlich haben nämlich Speichen, die Druckbelastungen widerstehen müssen, viel umfangreichere Querschnitte als die normalen Speichen, die üblicherweise zur Vermeidung des Knickens verwendet werden, und ihre Ausdehnungen selbst verhindern jedes Vorsehen von größeren Anzahlen von Stäben.
Dennoch ist es immer noch das Zugspeichenrad, welches unter diesen verschiedenen Konstruktionsformen eines Rades als den besten Kompromiss zwischen der Leichtigkeit und der Widertandsfähigkeit darstellend betrachtet wird, vorausgesetzt, das sie gut konstruiert und gut eingestellt sind.
Nun weisen die Zugspeichenräder, wenn sie gute Ergebnisse liefern, trotzdem einige Nachteile auf.
Erstens induziert der Zug der Speichen Druckbelastungen in dem Körper der Felge. Man schätzt, dass für ein Rennrad mit 36 Speichen jede der Speichen mit 1000 Newton gespannt ist, wobei die Druckbelastung auf Höhe des Körpers der Felge 5730 Newton beträgt, was eine Druckbelastung von 88 MPa induziert, was für ein übliches Felgenmaterial (Alu 6106 z. B.) bereits 40% des intrinsischen Widerstandspotentials des Materials (220 MPa) darstellt. In anderen Worten schwächt dieser induzierte Druck die Felge bereits beträchtlich.
Weiterhin führt diese Druckbelastung bei einer Felge mit 622 mm Durchmesser zu einer Reduktion der Evolute der Felge, die 2,5 mm erreichen kann, was natürlich einen Einfluss auf die Verbindung zwischen der Felge und dem Luftreifen haben kann, und zu unangebrachten Ablösungen der Felge und Unfällen führen kann.
Zweitens wirkt der Zug der Speichen lokal auf die Felge. Jede Speiche induziert durch ihren Zug eine lokale Scherbelastung auf Höhe ihres Befestigungsbereichs, ebenso wie ein Biegemoment, welches zwischen jedem Speichenloch variabel ist. Das Biegemoment führt zu einer polygonalen Deformierung der Felge, was üblicherweise „Sprung” genannt wird, mit einer lokalen Verbindung auf Höhe jedes Verbindungsbereichs der Speiche.
Die Patentanmeldungen EP 1316442 und FR 1019285 sehen zwischen diesen beiden Phänomenen, für die sie eine Lösung aufzeigen wollen, eine ungerade Verspeichung vor. Nebenbei ist zu betonen, dass das Befestigen der Speichen in Paaren auf Höhe der Felge, wie in EP 1316442 beschrieben, den Effekt der lokalen Verbindung gut abmildert, aber den polygonalen Effekt verstärkt.
Um dieses Problem zu lösen, schlägt die EP 1316442 vor, von einer zum Gegenteil vordeformierten Felge auszugehen (siehe 5 dieses Patents), was aber schwierig in der Umsetzung ist.
Schlussendlich hat man festgestellt, dass die Lebensdauer eines Rades, d. h. von jeder seiner Komponenten, im wesentlichen indirekt proportional zu der Spannung der Speichen ist. Während der Rotation des Rades wird jede Felge einem Belastungs- und Entlastungskreislauf unterworfen, und jede Speiche unterwirft lokal die Felge einem solchen Belastungs- und Entlastungskreislauf. Diese wiederholten Kreisläufe führen schlussendlich zur Beschädigung der Speiche, der Nabe oder der Felge, und dies geschieht noch schneller, wenn der Zug in der Speiche erhöht ist. Daher haben die gängigen Speichenräder keine optimale Lebensdauer. Mit dem Hintergrund dieses Standes der Technik besteht eine Notwendigkeit für eine Radkonstruktion mit vereinter Leichtheit, Steifigkeit, Widerstandsfähigkeit und optimaler Lebensdauer.
Es existiert weiterhin eine Notwendigkeit für ein Rad, dessen geometrische Eigenschaften (Verwindung, Sprung, Evolute) so stabil wie möglich bleiben.
Diese Ziele und andere Ziele, die im Laufe der folgenden Beschreibung ersichtlich werden, werden durch das neue Konzept eines Rades gemäß der Erfindung gelöst.
Insbesondere werden dieses Ziel oder diese Ziele durch das Rad gemäß der Erfindung erreicht, welches von der Art ist, dass es Speichen, umfassend eine periphere Felge, eine zentrale Nabe und einzelne Verbindungsspeichen zwischen der Felge und der Nabe umfasst, wobei in dem freien Zustand die Speichen ohne Zug oder Druck zwischen der Felge und der Nabe montiert sind, und wobei jede Speiche eine Druckbelastung von mindestens 60 daN ohne Knicken ertragen kann. Weiterhin umfasst das Rad eine höhere Anzahl von Speichen als Räder mit Stäben, und es umfasst z. B. eine Anzahl von Stäben größer als zehn. Eine solche Konstruktion hat den Vorteil, in dem freien Zustand sämtliche Belastungen auf das Innere der Speichen der Felge auf Null zu reduzieren. Dadurch werden die Speichen vorgesehen, um einer erheblichen Druckbelastung widerstehen zu können, ohne zu knicken, so dass sie den Belastungen widerstehen können, die während der Benutzung auf das Rad wirken.
Eine solche Konstruktion steht im Gegensatz zu den bekannten Ideen bezüglich der Konstruktion des Rades, die vorschlagen, dass in dem freien Zustand des Rades, d. h. ohne Belastung, entweder die Speichen gegenüber der Felge vorgespannt sind, und weiterhin starke Querschnitte aufweisen, um den Druckbelastungen widerstehen zu können, oder die Speichen vorbelastet sind und daher die Felge vorbeanspruchen.
Die Grundidee der Erfindung ist die vollständige (oder nahezu vollständige) Unterdrückung der Beanspruchung im Inneren des Rades (Felge, Speichen) in dem freien Zustand, was es ermöglicht, die globale Widerstandsfähigkeit eines solchen Rades wesentlich zu erhöhen. Weiterhin weist ein solches Rad die folgenden Vorteile auf:

– Das Rad hat überhaupt keine Spannung, der Bruch einer Speiche induziert keine Verwindung mehr, wie in einem Rad mit gespannten oder gedrückten Speichen,
– das Rad hat keine Eigenspannungen mehr, es ist daher weniger belastet und kann daher leichter gemacht werden,
– die Speichen und ihre Enden sind weniger auf Zug belastet und sind daher widerstandsfähiger, ebenso wie die Felge und die Nabe,
– das Rad ist widerstandsfähiger gegenüber der Ermüdung (weniger Beanspruchung),
– das Rad zeigt überhaupt keinen polygonalen Effekt mehr, und auch keine induzierte Verwindung,
– wenn eine Speiche gebrochen ist, kann man sie durch Entfernen der alten und Fixieren einer Speiche direkt auf dem Rad ohne eine bestimmte Montage ersetzen.

Weiterhin, im Gegensatz zu einem Rad mit einigen Stäben, deren Anzahl im Prinzip geringer als sechs ist, ist die laterale Steifigkeit im wesentlichen konstant, was z. B. für Räder mit drei Stäben nicht zutreffend ist, und die frontale Steifigkeit ist nicht zu sehr erhöht und quasi konstant, was einen Fahrradfahrer ein komfortables Rad in Bezug auf frontale Stöße aufgrund von Unebenheiten der Straße verschafft.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst jede Speiche einen Körper mit einem äußeren Durchmesser, der größer als 4,8 mm ist, und einem inneren Durchmesser, der keiner als 15 mm ist. In Bezug auf die üblichen bekannten Speichen sind die Speichen daher röhrenförmige Speichen, deren äußerer Durchmesser größer ist, was eine Erhöhung der Widerstandsfähigkeit (beim Knicken) gegen den Druck der Speiche ermöglicht, ohne das Gewicht zu erhöhen. Man kann ebenso Speichen mit einem nichtröhrenförmigen Querschnitt herstellen, wie z. B. mit einem transversalen Querschnitt in Form eines I.
Man kann ebenso Speichen mit einem nichtkonstanten Querschnitt in der Längsrichtung vorsehen, und die Speiche kann einen in der Form variablen Querschnitt gemäß dieser Längsrichtung aufweisen, und z. B. einen größeren Querschnitt in dem Medianbereich, um dem Knicken besser zu widerstehen.
Auf jeden Fall wird die Erfindung besser verstanden werden, und andere als diese Eigenschaften werden mit Hilfe der folgenden Beschreibung in Bezug auf die schematische beigefügte Zeichnung ersichtlich, welche beispielhaft und nichtbeschränkend einige Ausführungsformen zeigt, und in der:
1 eine perspektivische Ansicht eines Rades mit der Konstruktion gemäß der Erfindung ist,
2 eine vergrößerte Detailansicht der Montage von Speichen auf Höhe der Nabe ist,
3 eine Ansicht im Längsschnitt der Nabe der 2 ohne die Speichen ist,
4 und 5 ebene Ansichten des Rades sind, die verschiedene Abschnitte der Montage der Speichen zeigen,
6 eine vergrößerte Detailansicht der 5 ist, die die Montage der Speichen auf Höhe der Nabe zeigt,
7 eine Schnittansicht gemäß VII-VII der 5 ist, die die Befestigung der Speichen auf Höhe der Felge zeigt,
8 eine Schnittansicht gemäß VIII-VIII der 6 ist,
9 eine ähnliche Ansicht wie 7 gemäß einer anderen Ausführungsform ist,
10 eine Ansicht ist, die ein Verbindungsbeispiel zweier Speichen zeigt,
11 eine perspektivische Teilansicht eines Rades gemäß einer anderen Ausführungsform ist,
12 eine Schnittansicht gemäß XII-XII der 11 ist,
13 eine Schnittansicht gemäß XIII-XIII der 11 ist
Das Rad (1) gemäß der Erfindung, wie in der 1 gezeigt, umfasst üblicherweise eine periphere Felge (20), eine zentrale Nabe (30) und Verbindungsspeichen (40, 50) zwischen der Felge (20) und der Nabe (30). Die Speichen (40, 50) sind in zwei Lagen aufgeteilt, wobei jede Speichenlage (40, 50) jeweils an einem Ende (31, 32) der Nabe (30) befestigt ist und sich von diesem Ende, jeweils (31, 32), der Nabe in Richtung der Felge (20) erstreckt. Die entsprechenden Speichen (40, 50) sind wechselweise auf der Felge befestigt und gleichmäßig gemäß ihrer Peripherie aufgeteilt. Sie können aber auch auf verschiedenen Lagen gemäß bestimmter Gruppen aufgeteilt sein, auf an sich bekannte Art und Weise auf Rädern mit gespannten Speichen, wie z. B. in dem Patent US 6,145,938 beschrieben.
Man wird feststellen, dass jede Speichenlage (40, 50) zehn dieser Speichen umfasst, d. h. insgesamt 20, was eine Anzahl ist, die deutlich über der Anzahl von Stäben in einem Rad mit Stäben liegt, welches ein Maximum von sechs Stäben aufweist, und eine geringere Anzahl gegenüber der üblichen Anzahl von Speichen in einem gespannten Speichenrad mit einer Stabanzahl im Bereich von 12 bis 40. Diese Speichenanzahl kann auf zehn für die Gesamtheit von zwei Lagen reduziert werden.
Die Felge (20) kann von jeder geeigneten Art sein und weist z. B., wie in 7 gezeigt, eine hohle metallische Struktur in einem Kasten mit einer oberen Brücke (21) auf, die einen Empfangskanal (21a) für einen Schlauch an ihrer Peripherie aufweist, eine untere Brücke (22), die Gewindegänge (22a) zur Befestigung von Speichen und zwei laterale Platten (23, 24) aufweist, die die zwei Brücken verbinden. Die Gewindegänge (22a) können erhalten werden durch Fluopercage, wie in dem Patent FR 2 750 913 beschrieben. In dem gezeigten Beispiel ist das Gehäuse zusätzlich in jeder Ecke durch einen Ring aus Kohlenstoff 25 verstärkt, wie in der Patentanmeldung FR 2 881682 beschrieben.
Selbstverständlich kann jede andere Form der Felge passen, die Felge kann insbesondere eine einzige Brücke, einen Empfangskanal (21a) in einer anderen Form haben und kann insbesondere einen Luftreifen aufnehmen.
Gemäß der Erfindung sind die Speichen (40, 50) in dem freien Zustand (d. h. ohne Belastung des Reifens) ohne Spannung oder Druck zwischen der Felge (20) und der Nabe (30) montiert, und jede Speiche kann eine Druckbelastung von mindestens 60 daN ertragen.
Um eine solche Eigenschaft zu erhalten, umfasst jede Speiche (40, 50), wie in den 7 und 8 gezeigt, einen jeweiligen langgliedrigen Körper (40a, 50a), der für jede Speiche eine Längsrichtung L definiert und zwei jeweilige Befestigungsenden (41, 51, und 43, 53) umfasst. Weiterhin ist der Körper (40a, 50a) jeder Speiche ein röhrenförmiger Körper, der z. B. einen kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt aufweist, aus einem Material mit hohen Widerstandseigenschaften und insbesondere aus pultrudiertem Kohlenstoff.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel, ausgehend von pultrudierten üblichen HR (hohe Widerstandsfähigkeit) Kohlenstoff-Fasern und einer Eiloxid-Harz-Matrix mit einem Gesamtmodul von 115 GPa, weist jede Speiche (40, 50) einen äußeren Durchmesser D oberhalb von 4,8 mm auf (und, z. B. 5,5 mm) und einen inneren Durchmesser d, unterhalb von 15 mm (und, z. B. 4,1 mm) mit einer Dicke der Wand von 0,7 mm, wobei diese Wanddicke im Fall von hohlen Speichen (röhrenförmig), die z. B. mit einem Schaum gefüllt sind, verringert werden kann. Verschiedene Werte können auch als Funktion der Materialien erhalten werden, und z. B., indem man Kohlenstoff-Fasern HM (hohes Modul) verwendet, die ein Modul von oberhalb 200 GPa aufweisen. In der Praxis werden die Speichen, die an einen solchen Radtyp angepasst sind, so ausgesucht, dass ihre Eigenschaften EI oberhalb von 10⁶ Nmm² für eine Speiche mit normaler Länge liegen (was tatsächlich dem Wert EI einer Speiche aus Stahl von 3,2 mm Durchmesser entspräche, und viel zu schwer für eine Benutzung in einem Rad ist, wobei solche Stahlspeichen im allgemeinen einen Durchmesser von 2 mm aufweisen).
Solche Dimensionen wurden durch Berechnung erhalten und durch praktische Versuche verifiziert, so dass zwei entgegengesetzte Anforderungen ausgeglichen werden, die einerseits ein quadratisches Biegemoment I der Speichen so groß wie möglich zum Widerstehen gegen die erhöhten Druckbelastungen sind, die während der Benutzung des Rades abwechselnd auf jede Speiche wirken, so dass diese Speichen nicht ursprünglich vorgespannt sind (die Spannung wirkt der Druckbelastung entgegen), und das Risiko des Knickens so weit wie möglich beschränken, und andererseits, die Masse der Speichen so weit wie möglich reduzieren, so dass die Masse des Rades nicht erhöht, sondern reduziert wird.
Tatsächlich ist die Masse M einer Speiche durch folgende Formel gegeben: M = LρS = Lρπ/(D² – d²)/4

L: ist die Länge der Speiche
ρ: ist die Dichte des Materials (g/mm³)
D: ist der Außendurchmesser (mm)
d: ist der Innendurchmesser (mm)
S: ist der Querschnitt der Speiche

Weiterhin ist die maximale Druckbelastung (Knicken) durch folgendes Verhältnis gegeben: F = π²EI/(KL)² = π³(D⁴ – d⁴)E/[64(KL)²]
Mit K als Koeffizienten-Funktion der Einbaubedingungen

K: = 0,5 eingebaut/eingebaut
K: = 1 eingerollt/eingerollt
K: = 2 für eingebaut/frei
K: = 4 für frei/frei
E: Young-Modul des Materials in MPa
I: Quadratisches Moment (mm⁴) π(D⁴ – d⁴)/64 für einen röhrenförmigen Querschnitt
L: Länge des Trägers (mm) (d. h. Speiche) in Auflage

Durch Kombinieren dieser beiden Formeln hat man erkannt, dass bei einem konstanten Querschnitt die Erhöhung des Außendurchmessers D es ermöglicht, die Dicke der Röhre zu reduzieren, gleichzeitig aber erlaubt, die zulässige Knickkraft sehr schnell zu erhöhen. Wenn man des weiteren eine röhrenförmige Speiche mit D = 4 mm, d = 2,65 mm aus pultrudierten Kohlenstoff-Fasern mit einem Modul von 115 GPa vergleicht, so trägt sie eine Druckkraft von 55 daN, während eine Speiche mit einem Durchmesser von D = 6 mm, d = 5,2 mm aus einem identischen Material eine Knickbelastung von 152 daN erträgt, was nahezu dreimal mehr ist, obwohl sie wie dieselbe Masse wiegt. Eine solche Speiche ist ausreichend, um ein Fahrrad-Rad mit achtzehn nicht gespannten Speichen unter normalen Betriebsbedingungen zu konstruieren, wobei die Maximalbelastung auf jede Speiche zusätzlich kleiner als 140 daN ist. Man bemerkt, dass ein gewisses Knicken der Speichen unter bestimmten Bedingungen zulässig sein kann, so lange man jedes Risiko des Bruchs der Speichen verhindert. Man bemerkt weiterhin die Bedeutung des Produkts EI für die Widerstandsfähigkeit gegen die Druckbelastung.
Um die Montage ohne Belastung zu garantieren, d. h. ohne Spannung oder Druck auf jede Speiche (40, 50), ist es weiterhin vorgesehen, dass das Rad eine Verbindungsvorrichtung ohne Spiel oder eine bilaterale Verbindung mit zumindest einem Ende jeder Speiche (40, 50) an der Felge oder an der Nabe umfasst.
Diese Verbindungsvorrichtung und die Montage von Speichen werden im Folgenden mit Bezug auf die 2 bis 8 erklärt.
Zuallererst, wie es insbesondere die 2 und 3 zeigen, umfasst die Nabe (30) einen röhrenförmigen Körper (33), der relativ zu Rollmitteln (38) auf einer Welle (39) montiert ist, die zur Aufnahme der Rotationsachse des Rades bestimmt ist, und zwei Enden (31, 32) zur Befestigung von Speichen. Jedes Ende (31, 32) hat im allgemeinen die Form einer Scheibe oder Krause, die sich radial ausgehend von dem röhrenförmigen Körper (33) erstreckt.
Auf jeder dieser Krausen (31, 32) sind jeweilige Lager (31a, 32a) in der allgemeinen zylindrischen Form verwirklicht, die sich entlang einer Richtung im Wesentlichen tangential T von der Nabe auf Höhe des Endes oder der Krause, jeweils (31, 32) erstrecken. Diese Lager (31a, 32a) weisen einen Innendurchmesser auf, der im Wesentlichen dem Außendurchmesser D der Speichen (40, 50) entspricht, und sind zur Aufnahme letzterer bestimmt. Weiterhin weist jedes Lager (31a, 32a) eine Länge L zwischen 10 und 15 mm auf, um die Montage zu erleichtern und in der Folge die Befestigung der Speichen (40, 50).
Wie es insbesondere die 2 und 8 zeigen, sind die Lager (31a, 32a) paarweise zusammengestellt und gemäß entgegengesetzten Richtungen für die paarweise Montage zweier benachbarter Speichen auf Höhe eines jeden Endes (31, 32) der Nabe orientiert. In dem gezeigten Beispiel umfasst jedes Ende (31, 32) fünf Paare von Lagern (31a, 32a), die gleichmäßig entlang der Peripherie der Nabe verteilt sind.
Wie in 7 gezeigt, ist jede Speiche (40, 50) an ihrem Ende (41, 51), welches zur Befestigung auf der Felge (20) bestimmt ist, mit einem jeweiligen Ansatz (42, 52) ausgestattet, der mit einem jeweiligen Außengewinde (42a, 52a) ausgestattet und durch Verkleben an dem Ende (41, 51) der Speiche angebracht ist, wobei diese mit Hilfe eines Stopfens (44, 54) verschlossen ist, um das Eindringen des Klebstoffs in das Innere der Röhre zu verhindern, die die Speiche während des Montagevorgangs auf der Speiche bildet. Jeder Gewindeansatz (42, 52) ist zum Zusammenwirken mit dem Gewindegang bestimmt, der mit einem Weg (22a) der Felge zur Befestigung durch Verschrauben des Stopfens (42, 52) des Endes der Speiche an der Felge verbunden ist. Das andere Ende (45, 55) jeder Speiche ist frei (siehe 8).
Die Montage ohne Spiel jeder Speiche (40, 50) geschieht durch Verkleben eines Teils des Endes (43, 53) jeder Speiche auf Höhe der Nabe und Verschrauben des anderen Endes mit der Speiche mit Hilfe des Gewindestopfens (42, 52).
Diese Montage wird, wie genauer in den 4 und 5 gezeigt, realisiert.
Zuallererst werden die Speichen (40, 50) durch Schneiden der pultrudierten Kohlenstoff-Faser-Röhren auf die gewünschte Länge vorbereitet, aus denen sie gebildet sind, und durch Zusammenbauen der Stopfen (42, 52) durch Verkleben, wie im Vorherigen beschrieben.
Man bemerkt, dass diese Verklebung nach einem vorherigen Entfetten der Oberflächen ausgeführt wird, um eine optimale Verklebung zu erreichen. Diese Verklebung kann ebenso verbessert werden, indem ein geeigneter Oberflächenzustand vorgesehen wird (z. B. Rauhigkeit, Rillen) an der Innenseite jedes Stopfens (42, 52) um den Halt des Klebstoffs zu verbessern.
Das Ende (43, 53) jeder Speiche wird in ein jeweiliges zugehöriges Lager (31a, 32a) der Nabe eingeführt, durch Plazieren einer Dichtigkeitsverbindung, z. B. torisch (43a, 53a), auf der Speiche auf Höhe des Ausgangs des verbundenen Lagers (31a, 32a) (siehe 8). Die Speichen (40, 50) einer selben Lage können durch Paare eines weichen Verbindungsmittels (80) zusammengefügt werden (z. B. eine torische Dichtigkeitsverbindung oder eine Hülse aus einen künstlichen Material wie Delrin, Polyamid oder Azetat), um einen Knoten zu erzeugen und die Knickbeschränkungen jeder Speiche gegen Druck hinauszuschieben. Die Speichen können durch Paare mit ihrer Verbindungshülse (80) vor der Montage vorbereitet werden, wie in der 10 gezeigt, um die Montage zu erleichtern.
Man positioniert sodann die Felge (20) um die Untereinheit Nabe (30), Speichen (40, 50), wie in der 4 gezeigt, wobei die Speichen in das Innere ihrer jeweiligen Lager (31a, 32a) zurückgezogen sind, um die korrekte Positionierung der Felge um die Untereinheit zu ermöglichen, gefolgt von dem Einführen und dem Verschrauben jedes Stopfens (42, 52) in einem Gewindeweg (22a) der Felge. Jedes Lager (31a, 32a) bildet demnach ein Rückhaltemittel für Speichen vor der endgültigen Montage, ebenso wie eine Führung und gleitende Lagerung der Speichen während der Montage. Die Einheit wird nach einer fachgerechten Montage erstellt, um eine perfekte Geometrie des Rades und insbesondere die Rechtwinkligkeit der Achse der Nabe in Bezug auf die Ebene der Felge und die Zentrierung und den Sprung der Nabe in Bezug auf die Felge zu garantieren.
Danach wird das Verkleben des anderen Endes (43, 53) jeder Speiche im Lager (31a, 32a) der dazugehörigen Nabe durchgeführt, wobei die Verbindung (43a, 53a) es erlaubt, die Dichtigkeit im Moment der Verklebung zu garantieren.
Wie die 8 zeigt, weist jedes Lager (31a, 32a) eine zylindrische Aussparung (35) mit einem größeren Durchmesser als jenem der Speiche auf, und welche an einem Ende durch eine Schulter (36) gebildet ist, deren Durchmesser angepasst ist (Spielbereich von 1/100° mm) an jenen der Speiche (40, 50), und die am anderen Ende auf Höhe der torischen Verbindung (43a, 53a) mündet. Der Klebstoff ist im Inneren der Aussparung vor der Montage jeder Speiche (40, 50) untergebracht. Das schwache Spiel auf Höhe der Schulter (36) erlaubt ein gewisses Entweichen von Luft nach dem Einspritzen von Klebstoff, ermöglicht aber gleichzeitig, den Klebstoff zurückzuhalten. Der Klebstoff wird nach einer Positionierung der Speichen und einer Befestigung derselben auf Höhe der Felge mit Hilfe eines Lochs (70) eingeführt, z. B. in konischer Form, radial in jeden Lager (31a, 32a) vor der Schulter (36), z. B. mit Hilfe einer Nadel.
Um eine gute Verklebung zu garantieren, kann es wünschenswert sein, den Klebstoff vor der Befestigung der Speichen an der Felge einzuführen und jede Speiche sich in ihrem Lager drehen zu lassen, um die Schnittstelle der Verklebung auf Höhe der Nabe und der Speiche gut zu benetzen.
Danach lässt man den Klebstoff bei Raumtemperatur polymerisieren, wobei diese Lösung in dem Fall bevorzugt ist, in welchem die Felge aus einem unterschiedlichen Material besteht (z. B. metallisch) in Bezug auf die Speichen, so dass keine thermische Ausdehnung der Materialien induziert wird, oder man trocknet bei einer Temperatur im Bereich von 80°C. Sobald der Klebstoff polymerisiert ist, wird das Rad von der Montage demontiert. In dem Fall, in dem man bei Raumtemperatur polymerisieren lässt, kann man möglicherweise ein zusätzliches Brennen ermöglichen, um eine perfekte Verklebung zu erreichen.
Der Klebstoff ist z. B. ein Zweikomponenten-Epoxidharz wie er unter der Bezeichnung DP460 bekannt ist.
Eine andere Montagealternative kann es sein, die Röhren der Speichen (40, 50) mit den Stopfen (42, 52), die vorher in die Felge (20) geklebt wurden, maximal zu verschrauben, die Nabe (30) danach in der Mitte zu positionieren und die Stopfen (42, 52) herauszuschrauben, um die Enden (41, 51) der Speichen in die Verklebungslager (31a, 32a) der Nabe einzuführen, wobei eine solche Lösung ein Gewinde an jedem Stopfen (42, 52) erfordert, das besonders lang ist, da man es danach auf der Länge der Verklebung auf der Seite der Nabe abschraubt.
Auf der Seite der Felge (20) muss die Gewindeverbindung zwischen der Felge und dem Stopfen (42, 52) jeder Speiche unter Zug/Druck bilateral, ohne Spiel, sein. Um dies umzusetzen, kann man eine Polyamidbeschichtung der Art „Nylock” anbringen, um das Spiel des Gewindes (42a, 52a) zu überdecken, oder das Gewinde mit Hilfe eines anaeroben oder Expoxid-Klebstoffs zu verkleben, oder man kann außerdem den Stopfen vollständig in die Gewindegänge (22a) gegen eine Schulter verschrauben, die auf dem Stopfen vorgesehen ist.
Eine andere Alternative kann darin bestehen, die Kohlenstoffröhre der Speiche direkt in den Gewindegang (22a) der Felge zu kleben, wobei die Länge der Verklebung weiter reduziert wird, man aber das Gewicht des Einsatzes gewinnt.
Die Speiche kann ebenfalls in einen aufgesteckten vermischten Einsatz geklebt sein, wie in dem Patent EP 1 595 721 beschrieben.
Die Speiche kann auch in eine Verbundfelge geklebt sein.
Die 11 bis 13 zeigen eine andere Ausführungsform, in der die gleichen Elemente durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, die um 100 erhöht sind. Die Nabe (130) ist auf ihre einfachste Ausführungsform reduziert und umfasst nur zwei Flansche (131), die rotierend auf einer Welle (139) der Nabe mittels Rollmitteln (138) montiert sind. Die Flansche (131) sind im vorliegenden Fall identisch und umfassen Wege (132), die im wesentlichen radial sind, und die zylindrische Lager (132a) für jede Speiche (140, 150) definieren, wobei jeder Weg (132) einen Winkel β im Bereich von 82,5° in Bezug auf die Längsachse L der Nabe aufweist. In anderen Worten, die Flansche (131) der Nabe sind nicht durch einen Körper miteinander verbunden, im Gegensatz zu traditionellen Naben, oder denen der vorherigen Ausführungsform.
In dieser Ausführungsform, wie in der vorherigen Ausführungsform, sind die Speichen (140, 150) durch Verkleben an der Innenseite der Wege (132) der Flansche (131) befestigt, nach einer relativen Positionierung der Speichen/Felge/Nabe gemäß dem vorher beschriebenen Verfahren. Man wird bemerken, dass die Speichen (140, 150) vor dem Anbringen der Rollenlager (138) montiert sind, um in dem Lager (138a) der letzteren während der Montage gleiten zu können.
Eine solche Konstruktion der Nabe ohne Körper zwischen den Flanschen (131) wird dadurch ermöglicht, dass jede Spannung in den Speichen (140, 150) in dem freien Zustand (nicht belastet) des Rades aufgehoben wird.
In einer traditionellen Konstruktion des Rades mit Speichen unter Spannung wird eine solche Konstruktion der Nabe, wie z. B. aus dem Patent US 5,647,643 bekannt, nicht durchführbar. Bei diesem Nabentyp hat nämlich die Spannung der Speichen den Effekt, eine axiale Belastung im Bereich von 700 N zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Speichenlagen zu induzieren, wobei diese Belastung sodann axial von den beiden Rollenlagern übernommen wird, was ein nicht vernachlässigbares Reibungsmoment auf jede Rolle induziert, welches einen schädlichen Kraftverlust für die Leistung des Fahrrad-Fahrers verursacht; mehr noch, diese erhebliche axiale Belastung beschädigt diese Rollenlager sehr schnell. Die Aufhebung der Spannung der Speichen gemäß der Erfindung hebt diese axiale Belastung vollständig auf und macht diese Konstruktion daher perfekt funktionsfähig und möglich.
In diesem Ausführungsbeispiel kann die Montage von Speichen neben der Felge, wie in der 13 gezeigt, umgesetzt werden, d. h. auf dieselbe Weise, wie in der 7 gezeigt, wobei der einzige Unterschied darin liegt, dass die Speichen (140, 150) mit einem Ansatz (142) versehen sind, jedoch keinen Stopfen aufweisen. Selbstverständlich kann ein Stopfen trotzdem vorgesehen werden.
Als Variante kann man sich vorstellen, das Rad in eine sehr leichte axiale Vorspannung zu bringen, um die Rollenlager in einer Richtung vorzubelasten und so ihr radiales Spiel durch eine kleine axiale Vorspannung aufzuheben. Bei dieser Konstruktionsart ist es wünschenswert, dass das Schubzentrum (und im wesentlichen das Rollenlagerzentrum) der Kugellager (138) sich an der Stelle des Zusammentreffens der verschiedenen Speichen (140, 150) befindet, indem tatsächlich der Effekt der Biegung der Speichen vernachlässigt wird und indem man lediglich die axiale Zug- oder Druck-Komponente berücksichtigt, wobei die Resultierende aus der Lage der Speichen immer durch die Wechselwirkungspunkte der Speichen der Lage verläuft, so dass das Ringlager unter guten Bedingungen ohne jegliches Kippmoment arbeiten wird?
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausführungsformen beschränkt, die im Vorherigen beispielhaft und nicht beschränkend sind, und umfasst alle ähnlichen oder äquivalenten Ausführungsformen.
Es ist so, dass die Speichen einen nicht notwendigerweise röhrenförmigen Querschnitt haben müssen (und z. B. eine I-Form, und/oder erweiterbar (z. B. in der Form einer „Tonne” mit einen Medianbereich mit dickstem Querschnitt) oder dass die Speichen aus einem Nichtverbundmaterial bestehen können, z. B. Metall). Weiterhin wird man feststellen, dass die unterschiedliche Ausdehnung der Felge in Bezug auf die Speichen (verbunden mit Veränderungen der Bedingungen in Bezug auf das Verklebungsmoment) oder das Aufblasen des Reifens oder andere Faktoren (leichte Vorspannung der Felge in ihrer Verklebungsmontage) leichte Belastungen durch Zug/Druck in den Speichen induzieren können, ohne dass man deshalb den Bereich der Erfindung verlässt, wobei diese Belastungen als zweitrangig betrachtet werden und die Speichen daher immer als quasi ohne Spannung oder Druck montiert betrachtet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CH 91759 [0002]
WO 2004/033231 [0006]
FR 2701899 [0006]
EP 1016552 [0006]
WO 2004/108515 [0006]
EP 1316442 [0013, 0013, 0014]
FR 1019285 [0013]
US 6145938 [0037]
FR 2750913 [0039]
FR 2881682 [0039]
EP 1595721 [0069]
US 5647643 [0074]

Claims

Speichenrad mit einer peripheren Felge (20, 120), einer zentralen Nabe (30, 130) und einzelnen Verbindungsspeichen (40, 50, 140, 150) zwischen der Felge und der Nabe, wobei die Speichen auf zwei Lagen aufgeteilt sind, dadurch gekennzeichnet, dass in dem freien Zustand die Speichen (40, 50, 140, 150) ohne Spannung oder Druck zwischen der Felge und der Nabe montiert sind, und dadurch, dass jede Speiche eine Druckbelastung von mindestens 60 daN ohne Knicken ertragen kann.
Speichenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichen auf zwei Lagen aufgeteilt sind.
Rad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichen hohl sind.
Rad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt EI des Young Moduls des Materials mit dem quadratischen Moment jeder Speiche größer als 10⁶ Nmm² ist.
Rad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Montage jeder Speiche durch Verkleben des Endes (43, 53) auf Höhe der zentralen Nabe (30, 130) erreicht wird.
Rad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Lager in einer im allgemeinen zylindrischen Form in der Nabe verwirklicht sind, wobei die Lager zur Aufnahme der Speichen bestimmt sind.
Rad nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Lager in einer T-Richtung tangential zur Nabe erstrecken.
Rad nach einen der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (40a, 50a) jeder Speiche röhrenförmig ist.
Rad nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichen aus Karbonfasern herstellt sind.
Rad nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichen aus pultrudierten Karbonfasern hergestellt sind.
Rad nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichen in die Felge geklebt sind.
Rad nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichen in eine Verbundfelge geklebt sind.
Rad nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Lager zwischen 10 und 15 mm liegt.
Rad nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Speichen größer als 10 ist.
Rad nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Speichen geringer ist als die übliche Anzahl von Speichen eines gespannten Rads.
Rad nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper jeder Speiche einen inneren Durchmesser kleiner als 15 mm und einen äußeren Durchmesser größer als 4,8 mm umfasst.