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Die Erfindung betrifft eine Tretkurbel, insbesondere eine Fahrrad-Tretkurbel, mit einem Kurbelarmköper der zumindest überwiegend aus Kunststoff hergestellt ist.
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Eine Tretkurbel umfasst an einem ersten Ende einen Kurbelendbereich mit einer Wellenaufnahme zum Befestigen an einer Kurbelwelle, insbesondere eines Fahrrad-Tretlagers oder dgl., wobei die Wellenaufnahme koaxial zu einer gedachten Kurbeldrehachse angeordnet ist. An einem zweiten Ende hat die Tretkurbel einen Pedalendbereich zum Anbringen eines Pedals am Kurbelarmkörper, wobei das Pedal um eine gedachte Pedaldrehachse drehbar angebracht ist. Hierzu kann der Pedalendbereich, insbesondere nach konventioneller Bauart eine Achsenaufnahme für eine separate Pedalachse, oder auch eine einteilig mit dem Kurbelarm hergestellte Pedalachse aufweisen.
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Eine gattungsgemäße Tretkurbel wurde im Patent
DE 10 2014 103 701 B3 vorgeschlagen. Hierbei ist ein länglicher Hohlkern aus einem ersten faserverstärkten Kunststoff vorgesehen, welcher an seinen Enden je eine metallische Aufnahmehülse zur Aufnahme der Tretlagerwelle bzw. der Pedalachse trägt. Der Hohlkern mit den Aufnahmehülsen wird mit Kohlefaserfäden in Axialrichtung umwickelt und danach mit einem zweiten faserverstärkten Kunststoff in Kunststoffspritzguss-Werkzeug umspritzt. Diese Bauweise ermöglicht zwar ein geringes Gewicht gegenüber einer Tretkurbel aus Metall. Die Herstellung ist aber sehr aufwendig, kostenintensiv und die Tretkurbel zudem nur sehr bedingt einem Recycling seiner Bestandteile zuführbar.
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Die Lehre aus
DE 10 2014 103 701 B3 geht davon aus, dass eine kostengünstige, automatisierbare Herstellung der Tretkurbel vollständig in Kunststoffspritzgusstechnik, aufgrund von unzureichenden Stabilitätswerten nicht erzielbar sei. Problematisch ist bei Fahrrad-Tretkurbeln insbesondere der Übergang von der Tretkurbel auf die Welle, d.h. der Kurbelendbereich. Dieser ist im bestimmungsgemäßen Gebrauch sehr hohen Belastungen und einer hohen Zahl von Lastwechseln unterworfen. Typische Drehmomente liegen im Straßenradsport über 100Nm, beim Anfahren z.T. zu 500Nm, daher kommt es hier bedingt durch starke Belastung und Lastwechsel häufig zu einem Ermüdungsbruch. Zudem muss eine Fahrrad-Tretkurbel auch der statischen Gewichtsbelastung entsprechend eines auf nur einer von beiden Kurbeln stehenden Fahrers standhalten.
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Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es mithin, eine Tretkurbel vorzuschlagen, insbesondere eine Fahrrad-Tretkurbel, mit einem Kurbelarmköper der zumindest überwiegend aus Kunststoff hergestellt ist, der sich in einem einfacheren kostengünstigeren Verfahren, insbesondere in Kunststoff-Spritzgusstechnik herstellen lässt und/oder leichter einem Kunststoff-Recycling zuführbar ist bzw. aus recyceltem Kunststoff herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird mit einer Tretkurbel mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst.
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Bevorzugte Gestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe zunächst dadurch gelöst, dass der Kurbelarmköper als einteiliges Spritzgussteil aus Kunststoff, insbesondere aus einem faserverstärkten Kunststoff, hergestellt ist. Der Kurbelarmköper kann dabei in Art eines monolithischen Körpers und/oder materialeinheitlich in einem einfachen einstufigen Spritzgussverfahren hergestellt werden.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe ferner dadurch gelöst, dass zumindest eine der beiden nachfolgenden Gestaltungsmaßnahmen wird, wobei vorzugweise beide in Kombination vorgesehen werden, nämlich:
- i) eine Gestaltung, bei welcher der Kurbelendbereich so dimensioniert ist, dass die Wellenaufnahme einen inneren Durchmesser aufweist der mindestens 25%, vorzugsweise mindestens 30% der Kurbellänge des Kurbelarmköpers beträgt; und/oder
- ii) eine Gestaltung, bei welcher der Kurbelarmköper entlang eines aufweitenden Längsabschnitts des Körpers, welcher eine Länge von mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 66% der Kurbellänge hat, eine in Richtung vom Pedalendbereich zum Kurbelendbereich gesehen zunehmende Querschnittsabmessung, insbesondere zunehmende Bauhöhe und/oder Baubreite senkrecht zur Längserstreckung aufweist.
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Der aufweitende Längsabschnitt kann insbesondere an den Kurbelendbereich angrenzen oder in diesen übergehen. Der aufweitende Längsabschnitt kann ggf. bereits vom Pedalendbereich oder in relativ zur Kurbellänge kurzem Abstand hiervon ausgehend aufweiten.
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Besonders bevorzugt wird Gestaltung des Kurbelarmköpers, welche beide vorgenannten Maßnahmen in Kombination vereint, da hierdurch der vergleichsweise groß bauende Kurbelendbereich mit einem kleiner bauenden Kurbelendbereich materialsparend unter Erzielung guter Stabilitätswerte und hoher Lebensdauer verbunden wird. Beide Gestaltungsmaßnahmen i) und ii) werden jedoch unabhängig voneinander als erfindungserheblich beansprucht.
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Durch die erfindungsgemäße Dimensionierung der Wellenaufnahme am Kurbelendbereich können mit einem vergleichsweise einfachen, einteigen Spritzgussteil sehr hohe Drehmomente auf die Kurbelwelle übertragen werden, ohne dass es besonderer metallischer Einsätze und/oder einer besonderen Faserumwicklung um die Endbereiche bzw. Einsätze bedarf, welche im Stand der Technik mehrfach vorgeschlagen wurde. Der vergleichsweise große Durchmesser der Aufnahme, insbesondere einer Aufnahme mit geeigneter Geometrie für eine Formschlussverbindung, kann z.B. als innerer Fußkreis-Durchmesser der Aufnahme gemessen werden oder z.B. auch als kleinster messbarer freier Durchmesser der Aufnahme. Große Aufnahmedurchmesser sind sowohl bei formschlüssiger Verbindung mit der Kurbelwelle als auch kraftschlüssiger Verbindung mit der Kurbelwelle, als auch bei form- und kraftschlüssiger Verbindung mit der Kurbelwelle mechanisch vorteilhaft.
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Am Kurbelarmköper wird zum Zweck der Erläuterung eine Oberseite definiert, welche bei nach vorn stehender Tretkurbel nach oben weist, und eine Unterseite definiert, welche bei nach vorn stehender Tretkurbel nach unten weist. Nachfolgend erörterte Kontur ist insbesondere als in Seitenansicht entlang der Kurbeldrehachse bzw. Pedaldrehachse bzw. im Längsschnitt senkrecht zur Kurbeldrehachse bzw. Pedaldrehachse betrachtet zu verstehen.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der zweiten Gestaltungsmaßnahme ii) oben ist vorgesehen, dass im aufweitenden Längsabschnitt zumindest die Kontur der Oberseite, zumindest in einem ersten kurbelseitigen Teil-Abschnitt, einer Hüllkurve folgt, welche eine zum Kurbelendbereich hin zunehmende Steigung, insbesondere stetig zunehmende Steigung aufweist. Hierbei ist vorzugsweise vorgesehen, dass im aufweitenden Längsabschnitt die Kontur der Oberseite und die Kontur der Unterseite jeweils zumindest im ersten kurbelseitigen Abschnitt, einer entsprechenden Hüllkurve folgen, die eine zum Kurbelendbereich hin zunehmende Steigung, insbesondere stetig zunehmende Steigung aufweist. Als Hüllkurve wird dabei insbesondere die gedachte generierende Kurve verstanden, welche mit der Konturlinie übereinstimmt.
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Die Kontur der Oberseite und/oder Unterseite kann auch über den ersten kurbelseitigen Teil-Abschnitt hinaus, d.h. in weiteren dem Pedalendbereich näheren Abschnitten einer entsprechenden Hüllkurve folgen.
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Bevorzugt ist eine symmetrische Gestaltung des in Spritzgusstechnik herstellbaren Kurbelarmköper, sodass der Kurbelarmköper als Gleichteil sowohl für die linke Kurbel, als auch die rechte Kurbel eines Fahrrads verwendbar ist. Hierbei ist bevorzugt die Kontur der Oberseite, symmetrisch zur Kontur der Unterseite, insbesondere in Seitenansicht entlang der Kurbeldrehachse bzw. Pedaldrehachse bzw. im Längsschnitt senkrecht zur Kurbeldrehachse bzw. Pedaldrehachse. Insoweit sind die Begriffe Oberseite und Unterseite je nach Verwendung an der rechten oder linken Kurbel vertauschbar.
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In einer bevorzugten Ausführung ist der Kurbelarmköper insgesamt spiegelsymmetrisch zu einer gedachten Ebene durch Kurbeldrehachse und Pedaldrehachse gestaltet, sodass für beide Kurbel ein Gleichteil verwendbar ist. Der Kurbelarmkörper kann in einer Eben senkrecht dazu im wesentlichen geradlinig, oder je nach gewünschtem Q-Faktor, vom Kurbelendbereich zum Pedalendbereich auch nach seitlich außen gekrümmt verlaufen.
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Der Kurbelarmköper kann mit einer Kurbellänge zwischen einschließlich 150mm bis einschließlich 190mm, insbesondere zwischen einschließlich 170mm bis 175mm, ausgeführt sein.
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Hinsichtlich der absoluten Abmessungen zur o.g. ersten Gestaltungsmaßnahme i) hat die. Bevorzugt hat die Wellenaufnahme einen mittleren Durchmesser von mindestens 37,5mm, wobei der mittlere Durchmesser insbesondere den Mittelwert zwischen innerem Fußkreis-Durchmesser und äußerem Kopfkreis-Durchmesser der Wellenaufnahme darstellt, wobei der mittlere Durchmesser der Wellenaufnahme besonders bevorzugt mindestens 50mm beträgt. Im Falle einer kreiszylindrischen Aufnahme entspricht der mittlere Durchmesser auch dem inneren Durchmesser der Aufnahme. Besonders bevorzugt hat die Wellenaufnahme einen inneren Durchmesser, etwa gemessen als Fußkreis-Durchmesser oder freier Inkreis-Durchmesser, von zumindest 37,5mm.
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Zur Erläuterung wird nachfolgend eine Bauhöhe als Abmessung zwischen Oberseite und Unterseite, insbesondere als Abmessung Außen-Außen senkrecht zur Längserstreckung betrachtet. Zur Erläuterung wird vorliegend also die Bauhöhe in Richtung senkrecht zu einer Ebene betrachtet, die durch die Drehachsen und die Längserstreckung (=Richtung der Kurbellänge) aufgespannt wird. Die Baulänge wird in Richtung der Längserstreckung verstanden. Eine (Bau-)Breite bzw. (Bau-)Tiefe wird entsprechend in Richtung senkrecht zur Ebene der Baulänge und Bauhöhe verstanden.
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Günstige Stabilitätswerte können mit einem Spritzgussteil erreicht werden, wenn der Kurbelarmköper eine kleinste Bauhöhe, hat von mindestens 40mm insbesondere am Pedalendbereich aufweist und eine größte Bauhöhe, zwischen Oberseite und Unterseite, insbesondere am Kurbelendbereich von mindestens 150% der kleinsten Bauhöhe aufweist. Die größte Bauhöhe kann insbesondere die Bauhöhe sein, welche einem Außendurchmesser einer ringförmigen Grundform des Kurbelendbereichs entspricht. Bevorzugt beträgt die größte Bauhöhe insbesondere ≥ 70mm bis zu ≥ 90mm, insbesondere am Kurbelendbereich.
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Günstige Stabilitätswerte können weiter unter Berücksichtigung der vorgenannten Hüllkurve erreichten werden, wenn die Bauhöhe des Kurbelarmköpers zumindest in dem kurbelseitigen Längsabschnitt, d.h. über eine Länge von mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 66%, der Kurbellänge, stetig zunimmt, insbesondere vom Pedalendbereich bis zum Kurbelendbereich. Dabei kann die Bauhöhe insbesondere monoton steigend, vorzugsweise streng monoton steigend, zunehmen. Die Aufweitung bzw. Zunahme der Bauhöhe kann, besonders bevorzugt vom Pedalendbereich bis zum Kurbelendbereich entsprechend einer Hüllkurve mit stetig zunehmender Steigung vorgesehen sein.
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Die Hüllkurve kann insbesondere nach der Methode der Zugdreiecke bestimmt und anschließend gerundet werden. Zur Zugdreieckmethode sei beispielhaft verwiesen auf MATTHECK, C.; BETHGE, K. Zur Plausibilität der Methode der Zugdreiecke. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik: Entwicklung, Fertigung, Prüfung, Eigenschaften und Anwendungen technischer Werkstoffe, 2005, 36. Jg., Nr. 11, S. 748-749.; MATTHECK, C. Verborgene Gestaltgesetze der Natur: Optimalformen ohne Computer. Deutschland: Forschungszentrum Karlsruhe, 2006; oder ACHENBACH, M., et al. Entwicklung von effizienten, einfach anzuwendenden Konstruktionsprinzipien für technische Bauteile nach dem Vorbild der Natur. BMBF Abschlussbericht, 2010. Die Lehren einer oder aller dieser Quellen wird bzgl. der Zugdreieckmethode per Verweis hierin einbezogen. Hierbei werden vorzugsweise mindestens drei oder mehr als drei Zugdreiecke angelegt und die Übergänge zwischen den Langseiten der Zugdreiecke bzw. zu angrenzenden Flächen werden dabei vorzugweise mittels einer Tangensfunktion oder einer Ellipsenfunktion gerundet. Die Kontur bzw. Hüllkurve kann insbesondere durch den Tangens (x=0....1,32) oder auch eine Achtel-Ellipse angenähert werden.
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Zur Gewichtseinsparung bei zugleich günstigem Kraftfluss kann vorgesehen sein, dass der Kurbelarmköper in einem mittleren Längsabschnitt zwischen Kurbelendbereich und Pedalendbereich, mindestens einseitig eine Aussparung, insbesondere eine Durchgangsöffnung, aufweist, welche in Richtung der Längserstreckung erstreckt ist und den aufweitenden Längsabschnitt in zwei im Wesentlichen in Längsrichtung erstreckte Stränge aufteilt bzw. einteilt.
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Die Aussparung bzw. Durchgangsöffnung kann dabei insbesondere zumindest auch im aufweitenden Längsabschnitt oder über einen überwiegenden Anteil desselben vorgesehen sein. Durch eine näherungsweise oder echte mechanische Aufteilung in zwei Stränge können günstige Kraftverhältnisse erzielt werden - es kann bspw. bei reduziertem Materialaufwand erreicht werden, dass Drehmoment das am Pedal erzeugt wird zumindest anteilig in einem Strang primär als Druckkraft in den Kurbelendbereich übertragen wird. Hierbei sei an die Theorie der Stabtragwerke der Mechanik gedacht, bei welcher Stäbe nur Zug oder Druck aufnehmen, und die Verbindungen der Stäbe (Knoten) reibungsfreie Gelenke darstellen. In einer ersten, idealisierten Näherung können im Sinne einer Stabtragwerk-Betrachtung die durch Ausnehmung bzw. Durchbruch gebildeten Stränge als zwei Stäbe gesehen werden, welche mit dem größer dimensionierten Kurbelendbereich sozusagen einen Dreiecksverband bilden. So kann vertikale Kraft am Pedalendbereich, je nach Raumlage der Kurbel als gedacht überwiegende Zugkraft in dem oberen Strang und als gedacht überwiegende Druckkraft im unteren Strang vom Pedalendbereich in den Kurbelendbereich fließen. Dies ist besonders für Kunststoffe günstig, denn es wird für Kunststoffe ganz typisch eine gegenüber der Zugfestigkeit höhere Druckfestigkeit, typisch von um 30 % höher angenommen.
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Die Formgebung der Aussparung bzw. des Durchgangsöffnung kann auf unterschiedliche Arten bestimmt werden, z.B. durch computergestützte Verfahren, etwa den Ansatz der sog. Soft Kill Option, siehe BAUMGARTNER, A.; HARZHEIM, Lothar; MATTHECK, Claus. SKO (soft kill option): the biological way to find an optimum structure topology. International Journal of Fatigue, 1992, 14. Jg., Nr. 6, S. 387-393.
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Bei der Gestaltung des Kurbelarmköper kann das Konstruktionsprinzips der Steifigkeitserhöhung von Hohlkörpern durch Zwischenwände bzw. durch Verstrebung zum Einsatz kommen.
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In bevorzugter Gestaltung hat der Kurbelarmköper mindestens vier vom Pedalendbereich zum Kurbelendbereich verlaufende Streben aufweist, wobei vorzugsweise zwei äußere Streben die Oberseite bzw. Unterseite bilden und/oder vorzugsweise zwei innere Streben die o.g. Aussparung, insbesondere Durchgangsöffnung begrenzen. Hierbei können insbesondere alle Streben einer Kurve entsprechend der Hüllkurve folgen, d.h. einer Kurve die eine zum Kurbelendbereich hin zunehmende Steigung aufweist, insbesondere ein stetig zunehmende Steigung.
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Die Streben können somit paarweise einen von zwei Strängen begrenzen und einen wesentlichen Anteil der Kraftübertragung bewirken. Die Stränge können z.B. auch einen einseitig offenen Querschnitt haben und in Art eines U-Trägers oder C-Trägers ausgeführt sein, mit beiden Streben jeweils als Flansch bzw. Gurt und einem diese verbindenden Steg.
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Je zwei Streben vom Pedalendbereich zum Kurbelendbereich verlaufen bevorzugt paarweise näherungsweise parallel zueinander, mit einer aufweitenden Aussparung bzw. Durchgangsöffnung dazwischen.
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In bevorzugter Anwendung der o.g. Hüllkurve ist vorgesehen, dass die Kontur der Oberseite und/oder Unterseite vom Pedalendbereich zum Kurbelendbereich einer Hüllkurve folgt die zumindest in einem kurbelseitigen Abschnitt, von z.B. etwa 25%-33% der Kurbellänge, eine stetig zunehmende Steigung aufweist sowie in einem mittleren Abschnitt, der zwischen einem pedalseitigen Abschnitt und kurbelseitigen Abschnitt liegt, und z.B. etwa 25%-33% der Kurbellänge misst, eine stetig zunehmende Steigung aufweist, wobei der mittlere Abschnitt stetig und glatt in den kurbelseitigen Abschnitt übergeht. Der kurbelseitige Abschnitt und der mittlere Abschnitt erstrecken sich gemeinsam bevorzugt über eine Länge von zumindest 50%, insbesondere zumindest 66% der Kurbellänge.
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Vorzugsweise geht auch der verbleibende pedalseitige Abschnitt stetig und glatt in den mittleren Abschnitt über und/oder hat eine stetig zunehmende Steigung.
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Die Hüllkurve, welcher die Kontur der Ober- bzw. Unterseite folgt, und oder welche die Streben ist bevorzugt zumindest in einem kurbelseitigen Abschnitt so gewählt, dass der Kurbelarmkörper an dieser Hüllkurve eine längenbezogene Aufweitung von mindestens 0,15 pro Längeneinheit entlang der Kurbellänge aufweist. Die Aufweitung wird dabei in Richtung senkrecht zur Längserstreckung und den Drehachsen bzw. der durch diese aufgespannten Ebene, d.h. in Richtung der Bauhöhe gemessen. Insgesamt wird somit zwischen Ober- und Unterseite eine Aufweitung der Bauhöhe von ca. 0,3 pro Längeneinheit erzielt, d.h. entlang der Längserstreckung wird die Bauhöhe nahe dem Kurbelendbereich pro 1mm mindestens 0,3mm breiter. Dies kann insbesondere für den kurbelseitigen Abschnitt, von z.B. etwa 25%-33% der Kurbellänge gelten, wobei im mittleren Abschnitt von z.B. etwa 25%-33% der Kurbellänge eine geringere längenbezogene Aufweitung gewählt ist.
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Zur Gewichtseinsparung wird der Kurbelarmkörper vorzugsweise nicht als Vollkörper hergestellt sondern in Art eines Profils mit einseitig offenem Querschnitt.
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Bevorzugt hat der Kurbelarmkörper eine Seitenwand und ist zumindest im Bereich zwischen Kurbelendbereich und Pedalendbereich als einstückige Hohlprofilstruktur mit einseitig, insbesondere nach seitlich innen, offenem Querschnitt gestaltet. Hierbei kann die Seitenwand vorzugsweise durch eine Verstrebungsanordnung versteift sein mit mehreren Längsstreben, die entlang der Längserstreckung verlaufen. Ergänzend hierzu können Querrippen vorgesehen sein die quer und/oder schräg zu den Längsstreben verlaufen.
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Die Längsstreben der Hohlprofilstruktur verlaufen im Wesentlichen in Längsrichtung und verbinden kraftübertragend den Kurbelendbereich und den Pedalendbereich.
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Der Kurbelendbereich kann als Kurbelkopf mit im Wesentlichen ringförmiger Grundform und/oder mit einem Außendurchmesser von mindestens 50mm, insbesondere mindestens 70mm, ausgeführt sein.
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Der Kurbelarmkörper kann am Kurbelendbereich um die Wellenaufnahme z.B. einen Vollmaterialring oder eine ringförmige Verstrebungsstruktur aufweisen, insbesondere als Doppelring mit zwei mit radialem Abstand ringförmig um die Kurbeldrehachse umlaufenden Ringstreben, welche durch Querrippen versteift sind, wobei der Vollmaterialring bzw. die ringförmige Verstrebungsstruktur vorzugweise eine größere Bautiefe hat, in Richtung axial bzw. der Kurbelwellenachse, als der aufweitende Längsabschnitt.
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Weiterhin kann im Kurbelendbereich die Wellenaufnahme zumindest einseitig offen gestaltet sein, und insbesondere als Durchgangsöffnung, welche durch die Seitenwand beidseitig offen und zugänglich ist.
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Die Wellenaufnahme ist vorzugsweise für eine Formschlussverbindung mit der Kurbelwelle ausgeführt ist und kann hierzu insbesondere mit einer Aufnahme mit gegenüber dem typischen Vierkant deutlich mehr als vier Innenflächen oder auch einer ausgeführt sein. Die Wellenaufnahme kann insbesondere ausgeführt sein:
- - mit einer Innen-Verzahnung, vorzugsweise in Art einer Keilwellen-Verzahnung, Zykloiden-Verzahnung oder Evolventen-Verzahnung; oder
- - mit einer Polygon-Aufnahme, Stern-Aufnahme oder dgl.; oder
- - mit einer Gleichdick-Aufnahme (d.h. einer Aufnahme mit einem Querschnitt in Art eines Gleichdicks);
- - oder auch für eine Passfeder oder einseitige Planfläche bzw. mit D-Cut. Auch andere Formschluss-Verbindungen liegen im Rahmen der Erfindung.
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Die Wellenaufnahme kann konisch analog einer Keilwelle oder zylindrisch ausgeführt sein und in geeigneter Weise arretiert werden gegen axiales Lösen, z.B. auch durch eine Klebeverbindung.
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Alternativ und/oder ergänzend kann die Wellenaufnahme auch durch Kraftschluss mit der Kurbelwelle verbunden werden. Hierzu kann der Kurbelendbereich um die Wellenaufnahme in Art eines Spannrings mit Verschraubung ausgeführt sein oder dgl.
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Am Pedalendbereich kann der Kurbelarmkörper einen zur Pedalachse koaxial angeordneten ring- oder kreisscheibenförmigen Vollmaterialbereich aufweisen. Mit diesem Bereich kann eine seitlich vorstehende Pedalachse einteilig hergestellt sein. Hierbei ist die Pedalachse vorzugsweise durch einen um die Pedalachse umlaufenden gerundeten Querschnittsübergang an die Seitenwand angebunden. Alternativ kann der Pedalendbereich bzw. Vollmaterialbereich eine Aufnahme für eine separate Pedalachse bilden, insbesondere für eine Formschlussverbindung mit der Pedalachse. Der Pedalendbereich kann alternativ zum Vollmaterialbereich auch mit einer ringförmigen Verstrebungsstruktur ausgeführt sein.
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Der Kurbelarmkörper kann als einteiliges Spritzgussteil aus einem faserverstärktem Basiskunststoff hergestellt sein. Als Verstärkungsfasern kommen insbesondere mit, bevorzugt mit einer Faserlänge von 0,05mm bis 5mm, besonders bevorzugt von 0,1mm bis 2,5mm zum Einsatz.
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Für den in Spritzgusstechnik gefertigten Kurbelarmkörper wird bevorzugt ein thermoplastischer Basiskunststoff aus Polyethylen (PE) oder Polyamid (PA), besonders bevorzugt aus einem recycelten Regranulat, verwendet. Alternativ bzw. Ergänzend kommen auch Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS), Polysulfon (PSU), Polyetherimid (PEI) oder Polytetrafluorethen (PTFE), oder ggf. auch Mischungen hieraus in Betracht.
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Besonders bevorzugt wird zumindest für den thermoplastischen Basiskunststoff ein recycelter und/oder leicht recyclebarer Kunststoff verwendet. Dies kann entsprechend auch für die Verstärkungsfasern gelten.
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Nebst einer hinreichenden Stabilität und Festigkeit kann mit der vorgeschlagenen Bauweise des Kurbelarmkörpers erreicht werden, dass der Kurbelarmkörper bei horizontaler Montage-Lage unter statischer Belastung mit 1500Nm an der Pedalachse eine elastische Vertikalverformung von <20% der Kurbellänge, insbesondere ≤ 10% der Kurbellänge, gemessen an der Pedalachse, einhält. Gemeint ist hierbei ein Versuch nach dem Prinzip der statischen Festigkeitsprüfung am Antrieb nach Norm EN 14776:2005 (Kap. 4.13.6), wobei bei Belastung mit 1500Nm an der Pedalachse und unbelastet horizontaler Kurbel der Kurbelarmkörper eine maximale Verformung dahingehend hat, dass die Pedalachse um eine Strecker von weniger als 20% insbesondere ≤ 10% der Kurbellänge vertikal nach unten verlagert ist. Dies wird bei Belastung von mindestens 60s Dauer erzielt.
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Die hierin als vorteilhaft beschriebenen Merkmale sind ggf. als in beliebiger Kombination offenbart zu verstehen.
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Weitere vorteilhafte Merkmale und Wirkungen der Erfindung werden nachfolgend - ohne Beschränkung der Allgemeinheit des vorgenannten - anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1A-1D: einen Kurbelarmköper gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in Seitenansicht von außen (1A) mit Bemessungslinien, in Perspektivansicht (1B) und in Seitenansicht von innen (1C) und in Vergrößerung rechts aus 1C des Kurbelendbereichs (1D);
- 2A-2C: einen Kurbelarmköper gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in Perspektivansicht (2A) in Frontansicht von vorne (2B) und in teilweiser Seitenansicht von innen (2C) des Pedalendbereichs; und
- 3A-3B: als beispielhafte Passverzahnung (auch Steckverzahnung) für die in 1-2 nur rein schematisch als zylindrisch gezeigte Aufnahme des Kurbelendbereichs zur formschlüssigen Verbindung mit einer Kurbelwelle, hier beispielhaft mit einem Zykloidenzahnprofil (3A) oder einem Evolventenzahnprofil (3B).
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1-2 zeigen einen Kurbelarmkörper 100; 200 für eine Fahrrad-Tretkurbel, der integral in Spritzgusstechnik als einteiliges Spritzgussteil aus einem faserverstärktem Basiskunststoff, z.B. aus PA-66 Basispolymer mit Kurzfasern von 0,1mm bis 2,5mm, besonders bevorzugt aus einem recycelten PA-Regranulat werkzeugfallend herstellbar ist.
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Der Kurbelarmkörper 100; 200 hat an einem ersten Ende einen Kurbelendbereich 11 mit einer Wellenaufnahme 13 zum Befestigen an einer Kurbelwelle (nicht gezeigt). Die Wellenaufnahme 13 ist koaxial zur gedachten Kurbeldrehachse A1 angeordnet und in 1-2 nur schematisch als zylindrisch angedeutet. Bevorzugt werden Querschnitte die für eine formschlüssige Verbindung mit einer Profilwelle geeignet sind, wie z.B. in 3A-3B dargestellt z.B. ein Zykloidenzahnprofil 313 (3A) oder ein Evolventenzahnprofil 314 (3B) zur konkreten Formgebung der Wellenaufnahme 13. Auch andere Formen und/oder eine Kraftschluss-Verbindung liegen im Rahmen der Erfindung.
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An einem zweiten Ende hat der Kurbelarmkörper 100; 200 einen Pedalendbereich 12 zum Anbringen eines um eine gedachte Pedaldrehachse A2 drehbaren Pedals (nicht gezeigt) am Kurbelarmkörper. Der Pedalendbereich 12 kann eine Achsenaufnahme 14 (1A-1D) für eine separate Pedalachse oder eine einteilig mit dem Kurbelarm hergestellte Pedalachse 24 umfassen (2A-2C), welche dann vorzugsweise an einen Vollmaterialbereich 27, der zentrisch um die Pedaldrehachse vorgesehen ist, angebunden ist (2C).
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Wie 1-2 zeigen ist der Kurbelendbereich 11 so dimensioniert ist, dass die Wellenaufnahme 13 einen relativ grossen Innendurchmesser, nämlich einen inneren Durchmesser DI aufweist der mindestens 25%, vorzugsweise mindestens 30% der Kurbellänge K des Kurbelarmköpers (Abstand zwischen den Drehachsen A1 und A2 beträgt).
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Wie 1-2 ferner zeigen hat der Kurbelarmköper 100; 200 entlang eines aufweitenden Längsabschnitts 15, welcher an den Kurbelendbereich 11 angrenzt oder in diesen übergeht, und welcher eine Länge von mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 66% der Kurbellänge K hat, eine vom Pedalendbereich 12 zum Kurbelendbereich (11) zunehmende Querschnittsabmessung, insbesondere Bauhöhe H senkrecht zur Längserstreckung.
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Im gezeigten Beispiel kann die Kurbellänge K z.B. 175mm betragen, mit einem inneren Durchmesser bzw. Fußkreis-Durchmesser bzw. Inkreis-Durchmesser DI z.B. ca. 60mm der Aufnahme 13; 313; 314 und mit minimaler Bauhöhe Hmin am Pedalendbereich 12 von ca. 50mm und maximaler Bauhöhe Hmax am Kurbelendbereich 11 bzw. am Übergang zu diesem von ca. 90-95mm. Die Wellenaufnahme 13 sollte einen mittleren Durchmesser (DM) von mindestens 37,5mm haben, wobei der mittlere Durchmesser insbesondere den Mittelwert zwischen innerem Fußkreis-Durchmesser (DI) und äußerem Kopfkreis-Durchmesser (DA) der Wellenaufnahme darstellt (vgl. 3A).
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Wie in 1-2 zu erkennen, nimmt die Bauhöhe H zumindest in einem kurbelseitigen Längsabschnitt 15-1, bevorzugt jedoch über einen kurbelseitigen Längsabschnitt 15-1 und einen mittleren Längsabschnitt 15-2 von je ca. 33% der Kurbellänge, vom Pedalendbereich 12 bis zum Kurbelendbereich 11 stetig zu, insbesondere monoton steigend.
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Zumindest im mittleren Längsabschnitt 15-2 zwischen Kurbelendbereich 11 und Pedalendbereich 12, bevorzugt über nahezu den gesamten aufweitenden Längsabschnitt 15, ist eine Durchgangsöffnung 19 vorgesehen, welche in Richtung der Längserstreckung erstreckt ist und den aufweitenden Längsabschnitt 15 in zwei Stränge 20A, 20B einteilt.
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Der Kurbelarmköper hat vier vom Pedalendbereich zum Kurbelendbereich verlaufende Streben 21A, 21B, 22A, 22B aufweist, wobei vorzugsweise zwei äußere Streben 21A, 22A die Oberseite 16 bzw. Unterseite 17 bilden und zwei innere Streben 21B, 22B die Durchgangsöffnung 19 begrenzen. Alle Streben 21A, 21B, 22A, 22B sind einer Hüllkurve folgend gestaltet, die eine zum Kurbelendbereich hin zunehmende Steigung, insbesondere stetig zunehmende Steigung aufweist.
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Die Streben 21A, 21B, 22A, 22B sind einteilig mit Querrippen 25 hergestellt, die quer und/oder schräg zu den Längsstreben verlaufen und eine Verstrebungsstruktur bilden, die einteilig mit einer äußeren Seitenwand 23 hergestellt ist, sodass der Kurbelarmkörper 100; 200 als einstückiges Hohlprofilstruktur mit einseitig offenem Querschnitt ausgeführt ist. Am Kurbelendbereich 11 um die Wellenaufnahme 13 ist eine ringförmige Verstrebungsstruktur 26 vorgesehen. Anstelle des Vollmaterialbereichs 27 kann eine solche auch am Pedalendbereich 12 vorgesehen sein.
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Der Kurbelarmkörper 100; 200 kann bei horizontaler Montage-Lage unter statischer Belastung mit 1500Nm an der Pedalachse eine elastische Vertikalverformung von insbesondere ≤10% der Kurbellänge einhalten.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen selbst.
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Bezugszeichenliste
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- 100, 200
- Kurbelarmköper
- 11
- Kurbelendbereich
- 12
- Pedalendbereich
- 13
- Wellenaufnahme
- 14
- Achsenaufnahme
- 15
- aufweitender Längsabschnitt
- 15-1
- kurbelseitiger Längsabschnitt
- 15-2
- mittlerer Längsabschnitt
- 15-3
- pedalseitiger Längsabschnitt
- 16
- Oberseite
- 17
- Unterseite
- 19
- Aussparung
- 21, 22
- Strang
- 21A, 22A
- äußere Längsstrebe
- 21B, 22B
- innere Längsstrebe
- 23
- Seitenwand
- 24
- Pedalachse
- 25
- Querrippen
- 26
- ringförmige Verstrebungsstruktur
- 27
- Vollmaterialbereich (Pedalendbereich)
- A1
- Kurbeldrehachse
- A2
- Pedaldrehache
- DI
- innerer Durchmesser Wellenaufnahme
- DA
- äußerer Durchmesser Wellenaufnahme
- H
- Bauhöhe
- Hmin
- kleinste Bauhöhe
- Hmax
- größte Bauhöhe
- K
- Kurbellänge
- L
- Baulänge
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014103701 B3 [0003, 0004]
