DE202022102924U1

DE202022102924U1 - Laufrad sowie Antriebswelle für ein Fahrrad

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Publication number: DE202022102924U1
Application number: DE202022102924.5U
Authority: DE
Original assignee: Dutchfiets BV
Current assignee: Dutchfiets BV
Priority date: 2022-05-25
Filing date: 2022-05-25
Publication date: 2023-08-26
Anticipated expiration: 2032-05-26
Also published as: WO2023227690A1

Abstract

Laufrad (1) für ein Fahrrad, umfassend ein Felgenelement (2), mehrere Druckspeichenelemente (3) sowie ein Nabenelement (4) aus einem thermoplastischen Kunststoff, mit der Maßgabe, dass das Felgenelement (2) zusammen mit den Druckspeichenelementen (3) und zusammen mit dem Nabenelement (4) einstückig ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laufradhohlkörper (5) mit einer geschlossenen Radwand (6) gebildet ist, dass zumindest das Felgenelement (2) und die Druckspeichenelemente (3) hohl ausgebildet sind, und dass die Einstückigkeit des Laufrades (1) mittels einer Rotationsformung in einem von außen beheizbaren Rotationsformungswerkzeug hergestellt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Laufrad für ein Fahrrad, umfassend ein Felgenelement, mehrere Druckspeichenelemente sowie ein Nabenelement aus einem thermoplastischen Kunststoff, mit der Maßgabe, dass das Felgenelement zusammen mit den Druckspeichenelementen und zusammen mit dem Nabenelement einstückig ausgebildet ist.
Ein allgemein bekanntes Fahrrad-Laufrad, das mit einem Standard-Felgenelement und Standardspeichen mehrteilig aufgebaut ist, erhält seine Festigkeit durch eine hohe Zugbelastbarkeit der Standardspeichen. Diese sind mit Vorspannung verbaut und üblicher aus Stahl hergestellt. Sie würden jedoch bereits bei geringen Druckkräften durchbiegen.
Davon zu unterscheiden ist ein Laufrad mit Druckspeichenelementen, die einen stärkeren Querschnitt aufweisen, beispielsweise Druckspeichen an früheren Fahrzeugen mit Holzrädern. Grundsätzlich kann mittels eines Druckspeichenelements eine vom Felgenelement eingeleitete Druckkraft aufgenommen und zum Nabenelement weitergeleitet werden. Das vorliegende einstückig ausgebildete Laufrad ist mit Druckspeichenelementen versehen, die im Betrieb auf Druck beansprucht sind.
Im Vergleich zu Stahl und Aluminium weist thermoplastischer Kunststoff als Material für ein Laufrad eine geringere Festigkeit auf. Der Elastizitätsmodul ist geringer als jener von Stahl und Aluminium. Ebenso ist die Formsteifigkeit von thermoplastischem Kunststoff niedriger.
Ein bekanntes Laufrad aus Kunststoff, das Druckspeichenelemente aufweist, ist ein sogenanntes Composite-Laufrad. Dieses ist üblich aus einem faserverstärkten Kunststoff hergestellt, der beispielsweise mit losen Faserbestandteilen verstärkt ist oder mit einem Fasergewebe, wie beispielsweise in einem Carbon-Laufrad. Bei der Herstellung eines solchen Laufrades kann es während der Herstellung zu Spannungen und Verzug kommen. Die Herstellung eines Composite-Laufrades ist aufwändig und teuer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laufrad aus einem thermoplastischen Kunststoff vorzuschlagen, das einfacher aufgebaut und kostengünstig herstellbar ist.
Erfindungsgemäß wir die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Laufradhohlkörper mit einer geschlossenen Radwand gebildet ist, wobei zumindest das Felgenelement und die Druckspeichenelemente hohl ausgebildet sind, und dass die Einstückigkeit des Laufrades mittels einer Rotationsformung in einem von außen beheizbaren Rotationsformungswerkzeug hergestellt ist.
Das Felgenelement des Laufradhohlkörpers ist so hergerichtet, dass ein Fahrradreifen üblicher Bauart montierbar ist. Zur üblichen Bauart gehört im Sinne der Erfindung ein Schlauchreifen oder ein schlauchloser Reifen, welche jeweils mit Luftdruck gefahren werden. Außerdem ist auch die Reifen-Bauart gemeint, die mit einem anderen Füllmaterial als Luft gefahren wird, beispielsweise einem Schaumstoff, welcher bei Verformung eine geeignete Rückstellfähigkeit aufweist. Das Felgenelement weist zwei Felgenflanken und ein Felgenbett auf. An den Felgenflanken sind zweckmäßig Felgenhörner vorgesehen, die einem Fahrradreifen Halt verleihen.
Für die Rotationsformung wird das thermoplastische Kunststoffmaterial in Form von Pulver in das Rotationsformungswerkzeug gefüllt, welches für den Formungsvorgang rundum geschlossen ist. Das Rotationsformungswerkzeug weist eine Innenwand auf, die ein Negativ der zu formenden Gestalt bildet. Zweckmäßig ist das Rotationsformungswerkzeug als Dauerform ausgebildet, welche üblich aus Metall besteht, vorzugsweise Aluminium. Für den Formungsvorgang ist das Rotationsformungswerkzeug um wenigstens eine Achse rotierbar und wird dabei von außen beheizt. Das Kunststoffpulver schmilzt darin und kann in einem zähflüssigen Zustand als Schmelze über die Innenwand verteilt werden. Schließlich erstarrt die Schmelze an der Innenwand des Rotationsformungswerkzeug und kann anschließend nach Öffnen des Rotationsformungswerkzeugs als fertiger Hohlkörper entnommen werden.
Der Laufradhohlkörperfür ein Fahrrad-Laufrad erfordert eine formgenaue Gestalt. Der Erfinder hat herausgefunden, dass es für ein Laufrad von Vorteil ist, wenn sich Kunststoffmaterial, das sich während des Erstarrens bereits im Werkzeug ausdehnt, frei nach innen in das hohle Rotationsformungswerkzeug ausdehnen kann. Auf diese Weise kann ein spannungsarm geformtes Laufrad bereitgestellt werden, das die für ein Fahrrad benötigte Formgenauigkeit und Stabilität aufweist und während und nach der Herstellung wenig verzieht. Darüber hinaus ist das rotationsgeformte Laufrad aufgrund seiner Einstückigkeit nahtlos, was seine Festigkeit begünstigt.
Zweckmäßig weist der Laufradhohlkörper Bereiche mit unterschiedlicher Wandstärke der Radwand auf. Auf diese Weise kann der Laufradhohlkörper so hergerichtet werden, dass im Fahrbetrieb besonders beanspruchte Stellen der Radwand durch mehr Material verstärkt werden, um Rissen und Brüche an diesen Stellen entgegenzuwirken. die mit unterschiedlicher Wandstärke versehenen Bereiche der Radwand erzeugt sind durch eine bereichsweise unterschiedliche Wärmezufuhr von außen in das Rotationsformungswerkzeug. An stärker beheizten Bereichen schmilzt das Pulver rascher und im Laufe des Prozesses kann eine größeren Wandstärke aufgebaut werden, die erforderliche Festigkeit bereitzustellen. Überraschend stellte sich heraus, dass auch für einen Laufradhohlkörper mit unterschiedlicher Wandstärke der Radwand eine Spannungsarmut möglich ist, welche die benötigte Formgenauigkeit bereitstellen kann.
Nutbringend ist es, wenn der thermoplastische Kunststoff der Radwand ausgewählt ist aus einem der folgenden Kunststoffe: Polypropylen (PP), bevorzugt Polyethylen (PE), besonders bevorzugt High-Density-Polyethylen (HDPE). Für die genannten Sorten existieren bereits wirtschaftliche Kreisläufe, welche diese Kunststoffe recyclen und in einer zur Wiederverwendung aufbereiteten Form zur Verfügung stellen können. Zu dem Zweck werden sie beispielsweise im Meer und in der Landwirtschaft gesammelt. Sie kommen in Fischernetzen, Schleppnetzten, Netzen für Aquakulturen oder als Netzwickel zum Binden von Strohballen vor, außerdem als Baugerüstschutznetze zum Schutz von Verkehrsteilnehmern. Die Rückgewinnung solcher Sorten unmittelbar aus Alltagsprodukten, die zurück in den Kreislauf geführt werden ohne vorher die Umwelt zu verschmutzen, wird mit dem vorgeschlagenen Laufrad sehr begünstigt.
Der Wiederverwendung sehr zuträglich ist es, wenn der thermoplastische Kunststoff faserfrei ist. Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter faserfrei auch ein thermoplastischer Kunststoff gezählt, wenn er ausreichend faserarm ist, um so aufgearbeitet zu werden, dass er sich für eine Rotationsformung eignet.
Darüber hinaus löst ein Laufrad, die zugrundeliegende Aufgabe ebenfalls, wenn jedes Druckspeichenelement an dem Nabenelement wurzelt und eine stammförmige Basis bildet, wobei sich die stammförmige Basis wenigstens eines Druckspeichenelements vom Nabenelement weg in Richtung des Felgenelements erstreckt und in wenigstens zwei Astelemente aufgeteilt ist, und wobei zumindest ein Astelement mit dem Felgenelement verbunden ist.
Im Betrieb wird auf das Fahrrad eine vertikale Belastung ausgeübt und in Folge dessen flacht das Laufrad in Kontakt mit einer Fahrbahn tendenziell etwas ab. Vom Felgenelement wird unten aus Richtung der Fahrbahn eine Druckkraft in das Druckspeichenelement ausgeübt. Das Druckspeichenelement leitet diese Druckkraft bis in das Nabenelement weiter. Wenn sich das Laufrad im Fahrbetrieb dreht ist es nützlich, wenn zuerst eines der Astelement den untersten Drehpunkt erreicht und durchläuft, bevor die stammförmige Basis, respektive deren Mittellinie, den untersten Drehpunkt durchläuft. Sobald sich die Mittellinie im untersten Drehpunkt befindet, sind die Astelemente in symmetrischer Anordnung, so dass beide einen Anteil der von unten wirkenden Druckkraft aufnehmen und in die stammförmige Basis zusammenführen.
Die Gestaltung ist mittels einer dafür eigens programmierten Software berechnet, die natürliche Wachstumsprozesse berücksichtigt. So hat der Erfinder herausgefunden, dass es für das Laufrad nützlich ist, eine Struktur bereitstellen, die einem natürlichen Vorbild folgt und stabil ist, wie Stamm und Äste eines Baumes. Die stammförmige Basis kann dafür radial zum Nabenelement angeordnet sein. Die Astelemente zweigen einfacherweise so von der stammförmigen Basis ab, dass sich eine V-förmige Anordnung der Astelemente hin zum Felgenelement bildet. Außerdem stellte sich als zweckmäßig heraus, wenn die V-förmige Anordnung der Astelemente symmetrisch ausgestaltet ist.
Das Felgenelement weist zweckmäßig einen Felgennenndurchmesser im Bereich von 150 mm bis 650 mm auf. Der Felgennenndurchmesser ist definiert als derjenige Durchmesser gemessen an den unteren Ecken des Felgenbetts. So hat beispielsweise ein 10"-Laufrad einen Felgennenndurchmesser von 152 mm gemäß ETRTO (Europäische Reifen- und Felgen-Sachverständigenorganisation) und ein 28"-Laufrad in der Regel einen Felgennenndurchmesser von 622 mm gemäß ETRTO.
Die beiden Astelemente und die stammförmige Basis des Druckspeichenelements treffen zweckmäßig in einem Knoten zusammen, wobei der Knoten Kreisdurchmesser liegt, der koaxial zum Nabenelement angeordnet ist, wobei die Größe des Kreisdurchmessers im Bereich des 0,4 bis 0,6-fachen liegt, bezogen auf den Außendurchmesser des Felgenelements.
Bevorzugt weist das Nabenelement eine hohlzylindrische Nabenhülse auf.
Des Weiteren löst ein Laufrad ebenfalls, die zugrundeliegende Aufgabe, wenn das Nabenelement eine hohlzylindrische Nabenhülse aufweist, deren Innendurchmesser mindestens so groß ist, wie die Länge der Nabenhülse in ihrer axialen Richtung.
Diese Maßnahme beruht auf der Erkenntnis des Erfinders, wonach ein relativ großer Durchmesser der Nabenhülse im Verhältnis zum Durchmesser des Laufrades der Festigkeit des Laufrades dient. Die Druckspeichenelemente sind kürzer in dem Maß, in dem der Radius der Nabenhülse vergrößert wird.
Als Orientierungspunkt für das Durchmessermaß der Nabenhülse kann davon ausgegangen werden, wie durchmesserstark eine Antriebswelle für das Laufrad sein muss, wenn diese Antriebswelle ebenfalls aus Kunststoff hergestellt ist.
Nach der Überlegung wird davon ausgegangen, ein zweckmäßiges Maß für den hohlzylindrischen Durchmesser der Nabenhülse liegt im Bereich des Faktors 1,0 bis 2,0, bezogen auf die Länge der Nabenhülse.
Von Länge der Nabenhülse abgesehen geht der Erfinder von einem hohlzylindrischen Durchmesser der Nabenhülse im Bereich von 90 mm bis 140 mm für ein beispielhaftes 28"-Laufrad aus, das einen Außendurchmesser von 622 mm aufweist.
Darüber hinaus ist die hohlzylindrische Nabenhülse des Nabenelements zweckmäßig dafür hergerichtet, wahlweise entweder mit einer Antriebswelle oder mit einer feststehenden Radachse zusammenzuwirken.
An dem Nabenelement ist vorteilhaft zumindest ein Mittel vorgesehen, mit dem ein Drehmoment übertragbar ist.
Einfacherweise umfasst das Mittel zur Übertragung des Drehmoments mehrere Gewindelöcher, die an einem Rand des Nabenelements umfänglich um die Nabenhülse verteilt angeordnet sind.
Das Mittel zur Aufnahme eines Drehmoments ist vorteilhaft dafür hergerichtet, eine Antriebswelle an dem Nabenelement zu befestigen und/oder eine Bremsscheibe an dem Nabenelement zu befestigen.Die vorgeschlagenen Innengewinde am Rand des Nabenelements können in einem Metallelement angeordnet sein, wobei das Metallelement zweckmäßig in dem thermoplastischen Kunststoff des Laufradhohlkörpers integriert ist.
Hilfreich ist es, wenn das Laufrad mit einem Datenspeicherelement versehen ist, vorzugsweise mit einem RFID Speicherelement. Vorzugsweise können darin Materialinformationen und/oder Daten betreffend die Produktion des Laufrades abgespeichert werden, insbesondere über das verwendete Kunststoffmaterial. Wenn ein Fahrrad-Laufrad am Ende seiner Lebensdauer zurückkehrt in den wirtschaftlichen Kreislauf, können gespeicherte Informationen helfen, den Kunststoff als sortenreinen Rohstoff aufzuarbeiten und wiederzuverwenden.
In einer bevorzugten Ausführung sind für das vorgeschlagene Laufrad sechs Druckspeichenelemente vorgesehen.
Das Laufrad weist zweckmäßig ein Hüllvolumen auf, das in einem Bereich von 3,5 Liter bis 5 Liter liegt, bevorzugt im Bereich von 3,8 Liter bis 4,4 Liter und besonders bevorzugt im Bereich von 4 Liter bis 4,2 Liter.
Als Hüllvolumen des Laufrades im Sinne der Erfindung wird das Volumen der äußeren Oberfläche des Laufrades (ohne Fahrradreifen) verstanden, mit der Maßgabe, dass alle vorhandenen Öffnungen als geschlossene Oberflächenbereiche interpretiert und der äußeren Oberfläche zugerechnet werden, z. B. wird jede Öffnung für ein Schlauchventil als geschlossener Oberflächenbereich interpretiert.
Außerdem ist für sich genommen oder in Kombination mit dem genannten Hüllvolumen vorteilhaft, wenn das Laufrad ein Gewicht im Bereich von 1,3 kg bis 2,2 kg, bevorzugt im Bereich von 1,6 kg bis 1,9 kg und besonders bevorzugt im Bereich von 1,7 kg bis 1,8 kg aufweist.
Zweckmäßig weist das Laufrad bezogen auf sein Hüllvolumen ein spezifisches Gewicht im Bereich von 0,26 kg/Liter bis 0,63 kg/Liter auf.
Zur Erfindung gehört des Weiteren eine Antriebswelle für die zuvor vorgeschlagenen Laufräder. Zweckmäßig ist die Antriebswelle hergerichtet für eine einseitige Lagerung an einem Fahrradrahmen, vorzugsweise einem einseitigen Hinterradträger eines Fahrradrahmens.
Zweckmäßig ist an der Antriebswelle ein Zahnradelement angeordnet, das mit einem Antriebsmittel eines Fahrrades zusammenwirken kann.
Vorteilhaft umfasst das Zahnradelement ein Ritzel für eine Fahrradkette oder eine Zahnscheibe für einen Zahnriemen oder ein Zahnrad für eine Antriebswelle umfasst.
Vorteilhaft umfasst die Antriebswelle zwei Wellenelemente, die in einer Flucht angeordnet und verbindbar sind.
Günstig ist es, wenn ein Wellenelement als Radträger-Wellenelement und das andere als Stütz-Wellenelement ausgebildet ist.
Zweckmäßig umfassen beide Wellenelemente komplementäre Verbindungsmittel, die zur Übertragung einer Drehbewegung in zumindest einer Drehrichtung zwischen beiden Wellenelementen hergerichtet sind. Die Verbindungsmittel können komplementäre Gewinde sein oder komplementäre Profile, wie ein Keilwellenprofil und Keilnabenprofil.
Das Zahnradelement ist vorzugsweise an dem Radträger-Wellenelement angeordnet. Das Radträger-Wellenelement kann mit einem Trägerelement versehen sein, an dem ein Zahnradelement drehfest montierbar ist.
Des Weiteren kann das Zahnradelement einstückig integriert sein in die Antriebswelle, respektive in eines der Wellenelemente, vorzugsweise in das Radträger-Wellenelement.
Nachstehend ist die Erfindung in einer Zeichnung beispielhaft veranschaulicht und anhand mehrerer Figuren detailliert beschrieben. Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Laufrades,
2 eine Seitenansicht auf das Laufrad gemäß 1,
3 ein Querschnitt gemäß des in 2 vermerkten Schnittverlaufs III - III,
4 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts IV, wie in 3 vermerkt,
5 eine ausschnittsweise Schnittdarstellung gemäß des in 2 vermerkten Schnittverlaufs V - V,
6 eine erfindungsgemäße Antriebswelle im Querschnitt,
7 eine Darstellung des Laufrades gemäß 5 im montierten Zustand auf der Antriebswelle gemäß 6,
8 eine vergrößerte ausschnittsweise Seitenansicht auf das Laufrad mit montierter Antriebswelle gemäß 7,
9 eine ausschnittsweise Schnittdarstellung gemäß Schnittverlauf IX - IX, wie in 2 vermerkt.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Laufrad 1 in einer perspektivischen Ansicht. Das Laufrad 1 umfasst als Bestandteile ein Felgenelement 2, mehrere Druckspeichenelemente 3 sowie ein Nabenelement 4. Das Laufrad 1 ist insgesamt, d. h. alle Bestandteile umfassend, einstückig ausgebildet und zwar aus einem thermoplastischen Kunststoff. Es ist als ein Laufradhohlkörper 5 mit einer geschlossenen Radwand 6 ausgebildet. In dem Beispiel sind das Felgenelement 2, die Druckspeichenelemente 3 sowie auch das Nabenelement 4 in einer Weise hohl, dass ein gemeinsamer Hohlraum 7 ausbildet ist. Die Radwand 6 ist nahtlos. Die Einstückigkeit des Laufrades 1 ist mittels einer Rotationsformung in einem von außen beheizbaren Rotationsformungswerkzeug hergestellt.
Insbesondere die Druckspeichenelemente 3 weisen eine besondere Struktur auf. Jedes Druckspeichenelement 3 wurzelt mit einer stammförmigen Basis 3a an dem Nabenelement 4 und zwar insgesamt sechs Druckspeichenelemente 3. Sie erstrecken sich in radialer Richtung von dem Nabenelement 4 in Richtung des Felgenelements 2. Dabei teilt sich jedes Druckspeichenelement 3 symmetrisch in zwei Astelemente 3b und 3c auf, so dass insgesamt zwölf Astelemente mit dem Felgenelement 2 verbunden sind. Die vorgeschlagene Struktur folgt dem natürlichen Vorbild eines Baumes mit Stamm und Ästen, um eine verbesserte Stabilität bereitstellen. Die symmetrisch angeordneten Astelemente 3b/3c sind zueinander V-förmig angeordnet und schließen mit den beiden Enden der V-förmigen Gestalt an dem Felgenelement 2 an.
Das hier gezeigte Laufrad weist ein Hüllvolumen von 4,1 Liter bei einer Toleranz von 10,1 Liter auf. Sein Gewicht liegt im Bereich von 1,6 kg bis 1,9 kg.
Das Felgenelement 2 ist zur Aufnahme eines Fahrradreifens üblicher Bauart hergerichtet, wie eines Luftreifens in Form eines Schlauchreifens oder eines schlauchlosen Luftreifens. Es sind auch Fahrradreifen mit einer anderen Füllung als Luft verwendbar, beispielsweise Schaumstoff. Es handelt sich um ein Hohlkammer-Felgenelement mit einem tiefen Felgenbett 8 sowie mit Felgenflanken 9 und 10, die je ein Felgenhorn (nicht dargestellt) aufweisen, um einen Fahrradreifen am Felgenquerschnitt zu fixieren.
Des Weiteren stellt das Nabenelement 4 eine besondere Struktur dieses Laufrades 1 dar, weil das Nabenelement 4 als eine große hohlzylindrische Nabenhülse 11 ausgebildet ist, deren Innendurchmesser D mindestens so groß ist, wie die Länge L der Nabenhülse 11 in ihrer axialen Richtung. Im vorliegenden Beispiel beträgt der Innendurchmesser D der Nabenhülse 120 mm und ihre Länge L beträgt 77 mm. Auf diese Weise ist die Nabenhülse 11 hergerichtet für die wahlweise Aufnahme entweder einer Antriebswelle, die vorzugsweise aus Kunststoff besteht, oder für die Aufnahme von Lagerelementen zwecks Lagerung des Laufrades 1 auf einer feststehenden Radachse, die vorzugsweise aus Kunststoff besteht. Sowohl eine Radachse als auch eine Antriebswelle benötigen einen größeren Querschnitt als eine übliche aus Stahl oder Aluminium gebaute Radachse oder Antriebswelle. Der Innendurchmesser D der Nabenhülse 11 orientiert sich deswegen insbesondere an dem Durchmesser, den eine Antriebswelle benötigt, wenn diese aus Kunststoff hergestellt ist. Darüber hinaus wird berücksichtigt, dass eine Antriebswelle so hergerichtet sein kann, dass sie einseitig gelagert ist, womit einhergeht, dass das Laufrad 1 von einer Seite frei zugänglich und wie ein Rad eines Automobils montierbar ist.
Im vorliegenden Beispiel ist der Innendurchmesser D der Nabenhülse 11 um einen Faktor 0,7 größer als die Länge L der Nabenhülse 11 in ihrer axialen Richtung.
2 zeigt das Laufrad 1 gemäß 1 als Seitenansicht. Deutlich erkennbar ist die stabile Struktur jeder Druckspeiche 3. Gleichmäßig verteilt am Umfang des Nabenelements 4 setzen sechs Druckspeichen 3 an und erstrecken sich mit ihrer stammförmigen Basis 3a radial nach außen bis zu einem Knoten 12, an dem sie sich in die zwei Astelemente 3b und 3c teilen. So gehen insgesamt zwölf Astelemente in das Felgenelement 2 über. Der Knoten liegt auf einem Kreisdurchmesser K der im Beispiel halb so groß ist, wie der Felgennenndurchmesser D_F.
Es ist ein RFID-Speicherelement 5a an dem Laufradhohlkörper 5 vorgesehen, um darin Informationen über das Laufrades 1 abzuspeichern, insbesondere über das verwendete Kunststoffmaterial. Wenn ein Fahrrad-Laufrad am Ende seiner Lebensdauer in den wirtschaftlichen Materialkreislauf zurückkehrt, können gespeicherte Informationen helfen, den Kunststoff als sortenreinen Rohstoff aufzuarbeiten, um ihn wiederzuverwenden.
Zwei benachbarte Druckspeichenelemente 3 bilden gemeinsam mit einem Abschnitt des Felgenelements 2 sowie einem Abschnitt des Nabenelements 4 eine große Durchgangsöffnung 13. Insgesamt ergeben sich am Laufrad 1 sechs große Durchgangsöffnungen 13. Außerdem bilden die beiden Astelemente 3b und 3c eines Druckspeichenelements 3 zusammen mit einem Abschnitt des Felgenelements 2 jeweils eine kleine Durchgangsöffnung 14, somit sind ebenfalls sechs kleine Durchgangsöffnungen für das ganz Laufrad 1 gebildet. Außer der Stabilität der Struktur ergibt sich so eine ästhetisch ansprechende Gestaltung des Laufrades 1.
3 zeigt einen Querschnitt gemäß des Schnittverlaufs III - III. Das Druckspeichenelement 3 ist senkrecht zu seiner radialen Erstreckung geschnitten und in Bezug auf die Längserstreckung der Astelemente 3b und 3c ist der Schnittverlauf etwas schräg angeordnet.
Das Druckspeichenelement 3 ist in 4 vergrößert dargestellt. Die Wandstärke t ist an dem schraffierten Querschnitt des Druckspeichenelements 3 vermerkt. Der schraffierte Querschnitt bildet diejenige Querschnittsfläche des Druckspeichenelements 3, die nach der Festigkeitslehre Einfluss auf die Festigkeit hat. Der Querschnitt ist sechseckig gestaltet als unregelmäßiges Sechseck mit unterschiedlichen Seitenlängen. Dabei sind die Seiten, die in axialer Richtung ausgerichtet sind, länger ausgebildet als Seiten die parallel zur Laufrichtung des Laufrads angeordneten Seiten des sechseckigen Querschnitts. Das sogenannte Flächenträgheitsmoment einer solchen Querschnittsfläche bezieht sich darauf, wie groß der Widerstand dieser Querschnittsfläche gegen eine Verformung von außen ist. Die hier dargestellte Form der schraffierten Querschnittsfläche hat sich als zweckmäßig herausgestellt, um eine statische vertikale Last zu tragen, die auf ein Laufrad 1 einwirkt. Außerdem ist die schraffierte Querschnittsfläche zweckmäßig für die Übertragung eines Drehmoments. Einerseits eines Drehmoments zum Antrieb, wenn das Laufrad 1 als angetriebenes Laufrad 1 ein Drehmoment zu einer Fahrbahn übertragen muss oder für die Übertragung eines Bremsmoments, falls ein Bremsmoment über das Felgenelement 2 zum Nabenelement 4 übertragen wird, weil beispielsweise eine Scheibenbremse an dem Nabenelement 4 vorgesehen ist.
5 ist eine ausschnittsweise Schnittdarstellung des Laufrades 1 nach dem Schnittverlaufs V - V, wie in 2 vermerkt. Der Schnitt verläuft durch die stammförmige Basis 3a des Druckspeichenelements 3 und zeigt den Querschnitt des Felgenelements 2. Außerdem ist der Felgennenndurchmesser D_F vermerkt. Darüber hinaus zeigt 5 Gewindelöcher 15 und 16 mit Innengewinde, die als Mittel 17 zur Aufnahme eines Drehmoments vorgesehen sind. Wie am besten in 8 zu sehen, handelt es sich um zwei von insgesamt sechs Gewindelöchern, die gleichmäßig an einem Rand 18 des Nabenelements 4 angeordnet sind, um das Laufrad 1 beispielsweise mit einer Antriebswelle zu verbinden. Alternativ kann mittels dieser Gewindelöcher 15/16 eine Bremsscheibe am Laufrad 1 befestigt werden.
Im vorliegenden Beispiel sind die Gewindelöcher 15/16 in einem ringförmigen Aluminiumelement 19 angeordnet, das mittels Rotationsformung im thermoplastischen Kunststoff des Laufradhohlkörpers 5 integriert worden ist.
6 zeigt eine erfindungsgemäße Antriebswelle 20 im Querschnitt. Sie ist hergerichtet für eine einseitige Lagerung an einem Fahrradrahmen, vorzugsweise einem einseitigen Hinterradträger eines Fahrradrahmens. Die Antriebswelle 20 umfasst zwei Wellenelemente 21 und 22, die in einer Flucht angeordnet und miteinander verbindbar sind. Ein Wellenelement 21 ist als Radträger-Wellenelement 23 ausgestaltet und das andere als Stütz-Wellenelement 24.
Das Radträger-Wellenelement 23 weist eine zylindrische Radträgerfläche 25 auf, die ein erfindungsgemäßes Laufrad trägt, welches in 6 als gestrichelte Linie angedeutet ist. Das Laufrad sitzt mit der Nabenhülse seines Nabenelements auf der zylindrischen Radträgerfläche 25. Des Weiteren umfasst das Radträger-Wellenelement 23 einen Lagerabsatz 26 für ein Wälzlager, das ebenfalls als gestrichelte Linie angedeutet ist. Das Wälzlager weist einen Innenring auf, welcher auf dem Lagerabsatz 26 montierbar ist.
Im Betrieb rotiert der Innenring gemeinsam mit der Antriebswelle 20 und dem gestrichelt eingezeichneten Laufrad 1. Der zugehörige Außenring des Wälzlagers ist im montierten Zustand feststehend in einem Fahrradrahmen angeordnet. Des Weiteren ist ein Zahnradelement 27 vorgesehen, das im vorliegenden Beispiel an dem Radträger-Wellenelement 23 angeordnet ist. Es ist als Zahnscheibe ausgebildet ist und dient für einen Zahnriemen, der eine Antriebsbewegung zur Antriebswelle 20 übertragen kann.
Die Zahnscheibe 28 ist drehfest mit dem Radträger-Wellenelement 23 verbunden und austauschbar. Alternativ kann das Zahnradelement 27 einstückig mit dem Radträger-Wellenelement 23 der Antriebswelle 20 integriert sein.
Zwischen dem Lagerabsatz 26 und der Radträgerfläche 25 des Radträger-Wellenelements 23 ist ein Flansch 29 vorgesehen, der Durchgangslöcher 30 für Schrauben aufweist. Die Durchgangslöcher 30 dienen zur Befestigung der Antriebswelle 20 an dem Nabenelement 4 des Laufrades 1 und ermöglichen eine Drehmomentübertragung von der Antriebswelle 20 in das Laufrad 1 zwecks Antriebs oder in umgekehrter Richtung, um eine Bremswirkung zu erzielen, beispielsweise mit einer Bremsscheibe (nicht dargestellt). Der Flansch 29 ist mit insgesamt sechs Durchgangslöchern 30 versehen, die gleichmäßig am Umfang des Flansches 29 verteilt sind. Die Anordnung der sechs Durchgangslöcher 30 deckt sich mit dem Lochbild der sechs Gewindelöcher, die am Rand 18 des Nabenelements 4 des Laufrades 1 vorgesehen sind.
Das Stütz-Wellenelement 24 weist einen zylindrischen Lagersitz 31 für ein Wälzlager auf. Dieses Wälzlager ist ebenfalls als gestrichelte Linie in 6 angedeutet. Es weist gleichfalls einen Innenring auf, der auf dem Lagersitz 31 des Stütz-Wellenelements 24 angeordnet ist und im Betrieb gemeinsam mit der Antriebswelle 20 und dem Laufrad 1 rotiert. Ein zugehöriger Außenring dieses Wälzlagers ist dann ebenfalls feststehend in einem Fahrradrahmen angeordnet.
Das Radträger-Wellenelement 23 ist mit dem Stütz-Wellenelement 24 verbunden. Die beiden Wellenelemente weisen als komplementäre Verbindungsmittel komplementäre Profile auf, die eine Drehmomentübertragung ermöglichen. Das Radträger-Wellenelement 23 ist mit einem Keilwellenprofil 32 und das Stütz-Wellenelement 24 mit einem dazu passenden Nabenprofil 33 versehen. Des Weiteren sind das Radträger-Wellenelement 23 und das Stütz-Wellenelement 24 mit je einer zentralen Durchgangsöffnung 34 beziehungsweise 35 versehen. Im zusammengefügten Zustand sind die Durchgangsöffnungen 34 und 35 koaxial angeordnet und können eine Schraubverbindung (nicht dargestellt) aufnehmen. Mittels der Schraubverbindung umfassend eine durchgesteckte Schraube und eine Mutter sind die beiden Wellenelemente 20 und 21 in axialer Richtung miteinander verbindbar und gesichert.
7 zeigt das erfindungsgemäße Laufrad 1 ausschnittsweise, wie in 5 jedoch im montierten Zustand auf einer Antriebswelle 20 gemäß 6. Der Flansch 29 des Radträger-Wellenelements 23 ist mit Schrauben 36 und 37 am Laufrad 1 befestigt. Die Schrauben 36 und 37 stecken in den Durchgangslöchern 30 des Flansches 29 und sie sind in die Gewindelöcher 15 beziehungsweise 16 am Rand 18 des Nabenelements 4 eingeschraubt und ermöglichen auf diese Weise die Drehmomentübertragung zwischen Antriebswelle 20 und Laufrad 1.
8 zeigt vergrößert eine ausschnittsweise Seitenansicht auf das Laufrad 1 mit montierter Antriebswelle 20. In dieser Seitenansicht sind die sechs Schrauben 36 und 37 zu erkennen, welche den Flansch 29 des Radträger-Wellenelements 23 mit dem Nabenelement 4 befestigen. Das Lochbild ist so angeordnet, dass die Gewindelöcher sich jeweils an denjenigen Stellen am Rand 18 des Nabenelements 4 befinden, von wo sich die Druckspeichenelemente 3 radial nach außen erstrecken.
9 zeigt das Laufrad 1 als ausschnittsweise Schnittdarstellung gemäß dem Schnittverlauf IX - IX, wie in 2 vermerkt. Das Nabenelement 4 ist an einer Stelle abseits des Druckspeichenelements geschnitten. Die Darstellung zeigt, dass auch das Nabenelement 4 hohl ausgeführt ist. Im Übrigen ist beispielhafte eine Radachse gestrichelt eingezeichnet.
Die Radachse wird in einem Fahrradrahmen, respektive dessen Vorderradgabel feststehend montiert. Des Weiteren sind zwei Wälzlager ebenfalls gestrichelt angedeutet, die einen Innenring und einen Außenring umfassen. In diesem Beispiel sitzen die Wälzlager mit ihren Innenringen auf der feststehenden Radachse. Die Außenringe sitzen hingegen im Laufrad 1, nämlich in der Nabenhülse 11 des Nabenelements 4, so dass in diesem Beispiel die Außenringe zusammen mit dem Laufrad 1 rotieren.
Bezugszeichenliste

1: Laufrad
2: Felgenelement
3: Druckspeichenelement
3a: Stammförmige Basis
3b: Astelement
3c: Astelement
4: Nabenelement
5: Laufradhohlkörper
5a: RFID-Speicherelement
6: Radwand
7: Hohlraum
8: Felgenbett
9: Felgenflanke
10: Felgenflanke11 Nabenhülse
12: Knoten
13: Durchgangsöffnung (große)
14: Durchgangsöffnung (kleine)
15: Gewindeloch
16: Gewindeloch
17: Mittel
18: Rand (Nabenelement)
19: Ringförmiges Aluminiumelement
20: Antriebswelle
21: Wellenelement
22: Wellenelement
23: Radträger-Wellenelement
24: Stütz-Wellenelement
25: Zylindrische Radträgerfläche
26: Lagerabsatz
27: Zahnradelement
28: Zahnscheibe
29: Flansch
30: Durchgangsloch
31: Lagersitz
32: Keilwellenprofil
33: Nabenprofil
34: Durchgangsöffnung
35: Durchgangsöffnung
36: Schraube
37: Schraube
D: Innendurchmesser
L: Länge (Nabenhülse)
DF: Felgennenndurchmesser
K: Kreisdurchmesser (Knoten)

Claims

Laufrad (1) für ein Fahrrad, umfassend ein Felgenelement (2), mehrere Druckspeichenelemente (3) sowie ein Nabenelement (4) aus einem thermoplastischen Kunststoff, mit der Maßgabe, dass das Felgenelement (2) zusammen mit den Druckspeichenelementen (3) und zusammen mit dem Nabenelement (4) einstückig ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laufradhohlkörper (5) mit einer geschlossenen Radwand (6) gebildet ist, dass zumindest das Felgenelement (2) und die Druckspeichenelemente (3) hohl ausgebildet sind, und dass die Einstückigkeit des Laufrades (1) mittels einer Rotationsformung in einem von außen beheizbaren Rotationsformungswerkzeug hergestellt ist.
Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der Laufradhohlkörper (5) Bereiche mit unterschiedlicher Wandstärke (t) der Radwand (6) aufweist.
Laufrad (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mit unterschiedlicher Wandstärke (t) versehenen Bereiche der Radwand (6) erzeugt sind durch eine bereichsweise unterschiedliche Wärmezufuhr von außen in das Rotationsformungswerkzeug.
Laufrad (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff der Radwand (6) ausgewählt ist aus einem der folgenden Kunststoffe: Polypropylen (PP), bevorzugt Polyethylen (PE), besonders bevorzugt High-Density-Polyethylen (HDPE).
Laufrad (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff faserfrei ist.
Laufrad (1) für ein Fahrrad, umfassend ein Felgenelement (2), mehrere Druckspeichenelemente (3) sowie ein Nabenelement (4) aus einem thermoplastischen Kunststoff, mit der Maßgabe, dass das Felgenelement (2) zusammen mit den Druckspeichenelementen (3) und zusammen mit dem Nabenelement (4) einstückig ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Druckspeichenelement (3) an dem Nabenelement (4) wurzelt und eine stammförmige Basis (3a) bildet, dass sich die stammförmige Basis (3a) wenigstens eines Druckspeichenelements (3) vom Nabenelement (4) weg in Richtung des Felgenelements (2) erstreckt und in wenigstens zwei Astelemente (3b, 3c) aufgeteilt ist, und dass zumindest ein Astelement (3b, 3c) mit dem Felgenelement (2) verbunden ist.
Laufrad (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Felgenelement (2) einen Felgennenndurchmesser im Bereich von 150 mm bis 650 mm aufweist.
Laufrad (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Astelemente (3b, 3c) und die stammförmige Basis (3a) des Druckspeichenelements (3) in einem Knoten (12) zusammentreffen, dass der Knoten (12) bezogen auf das Nabenelement (4) auf einem koaxialen Kreisdurchmesser (K) liegt, und dass die Größe des Kreisdurchmessers (K) im Bereich des 0,4 bis 0,6-fachen liegt, bezogen auf den Felgennenndurchmesser (D_F) des Felgenelements (2).
Laufrad (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Nabenelement (4) eine hohlzylindrische Nabenhülse (11) aufweist.
Laufrad (1) für ein Fahrrad, umfassend ein Felgenelement (2), mehrere Druckspeichenelemente (3) sowie ein Nabenelement (4) aus einem thermoplastischen Kunststoff, mit der Maßgabe, dass das Felgenelement (2) zusammen mit den Druckspeichenelementen (3) und zusammen mit dem Nabenelement (4) einstückig ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Nabenelement (4) eine hohlzylindrische Nabenhülse (11) aufweist, deren Innendurchmesser (D) mindestens so groß ist, wie die Länge (L) der Nabenhülse (11) in ihrer axialen Richtung.
Laufrad (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Maß des Innendurchmessers (D) der Nabenhülse (11) im Bereich des Faktors 1,0 bis 2,0 liegt, bezogen auf die Länge (L) der Nabenhülse (11).
Laufrad (1) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die hohlzylindrische Nabenhülse (11) des Nabenelements (4) dafür hergerichtet ist, wahlweise entweder mit einer Antriebswelle (20) oder mit einer feststehenden Radachse zusammenzuwirken.
Laufrad (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Nabenelement (4) zumindest ein Mittel (17) vorgesehen ist, mit dem ein Drehmoment übertragbar ist.
Laufrad (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (17) zur Übertragung des Drehmoments mehrere Gewindelöcher (15, 16) umfasst, die an einem Rand (18) des Nabenelements (4) umfänglich um die Nabenhülse (11) verteilt angeordnet sind.
Laufrad (1) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (17) zur Aufnahme eines Drehmoments dafür hergerichtet ist, eine Antriebswelle (20) an dem Nabenelement (4) zu befestigen und/oder eine Bremsscheibe an dem Nabenelement (4) zu befestigen.
Laufrad (1) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindelöcher (15, 16) am Rand (18) des Nabenelements (4) in einem Metallelement angeordnet sind, und das Metallelement in dem thermoplastischen Kunststoff des Laufradhohlkörpers (5) integriert ist.
Laufrad (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass sechs Druckspeichenelemente (3) vorgesehen sind.
Antriebswelle (20) für ein Laufrad (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (20) hergerichtet ist für eine einseitige Lagerung an einem Fahrradrahmen, vorzugsweise einem einseitigen Hinterradträger eines Fahrradrahmens.
Antriebswelle (20) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zahnradelement (27) angeordnet ist, das mit einem Antriebsmittel eines Fahrrades zusammenwirken kann.
Antriebswelle (20) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnradelement ein Ritzel für eine Fahrradkette oder eine Zahnscheibe (18) für einen Zahnriemen oder ein Zahnrad für eine Antriebswelle umfasst.
Antriebswelle (20) nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (20) zwei Wellenelemente (23, 24) umfasst, die in einer Flucht angeordnet und verbindbar sind.
Antriebswelle (20) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wellenelement als Radträger-Wellenelement (23) und das andere als Stütz-Wellenelement (24) ausgebildet ist.
Antriebswelle nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass beide Wellenelemente komplementäre Verbindungsmittel (32, 34) umfassen, die zumindest zur Übertragung einer Drehbewegung zwischen beiden Wellenelementen hergerichtet sind.
Antriebswelle (20) nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnradelement (27) an dem Radträger-Wellenelement (23) angeordnet ist.
Antriebswelle (20) nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnradelement (27) einstückig integriert ist.