DE69126523T2

DE69126523T2 - Fahrzeugrad mit speichen aus fasersträngen mit hohem elastizitätsmodul

Info

Publication number: DE69126523T2
Application number: DE69126523T
Authority: DE
Inventors: Harold M Johnson
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-03-16
Filing date: 1991-03-04
Publication date: 1997-09-25
Anticipated expiration: 2011-03-05
Also published as: WO1991013771A3; EP0519957B1; WO1991013771A2; JPH05501235A; HK1000280A1; ATE154290T1; EP0519957A1; US5110190A; DE69126523D1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft im allgemeinen ein Fahrzeugrad, umfassend eine Radnabe, eine Radfelge und eine Vielzahl von Radspeichen, aufweisend ein erstes Ende sowie ein zweites Ende und einen mittleren Bereich, der sich dazwischen erstreckt, ein erstes Anbringungsmittel, das benachbart zu besagtem ersten Speichenelement befestigt ist, und ein zweites Anbringungsmittel, das benachbart zu besagtem zweiten Ende befestigt ist, wobei besagte Speichen zwischen besagten Naben und besagter Felge guerverlaufen und besagte Speichen verbindbar besagte Nabe innerhalb des Umfangs besagter Felge abstützen.
Ein Fahrzeugrad dieses Typs ist aus DE-U-89 04 773.3 bekannt. Genauer gesagt betrifft die Erfindung Speichen mit niedriger Dichte und Hochmodulfasern für Naben- und Felgenräder.

Hintergrund der Erfindung

Das Rad ist eines der ältesten Erfindungen der Menschheit. Traditionsgemäß werden Räder, wie die an einem Auto verwendeten, aus einer Felge und einer Nabe aufgebaut, um einen luftgefüllten Reifen zu stützen, der anschließend an eine Drehachse an einem Auto angebracht wird. Fahrradfelgen haben einen etwas anderen Zugang zu einer Felgenkonstruktion. Die Fahrrad- Radgestaltung hat als Ziel, Gewicht zu minimieren und Stärke zu maximieren. Dies ermöglicht der menschlichen Kraft, das Fahrrad in einer energieeffektiven Weise zu fahren.
Im allgemeinen besteht das Rad eines Fahrrads aus einer Felge und einer Nabe, die mit Verbindungsspeichen zusammengezogen sind, um dem Balancieren und Zentrieren der Nabe innerhalb des Umfangs der Felge zu dienen. Die Verbindungsspeichen sind im allgemeinen aus Stahl oder irgendeiner anderen Metallegierung hergestellt.
In der Vergangenheit ist die Zusammensetzung von Speichen durch die Tatsache diktiert worden, daß Speichen Spannungskonzentrationspunkte entlang des Umfangs der Felge darstellen, wenn verwendet, um ein Rad herzustellen. Im allgemeinen ist die Anzahl an metallischen Speichen, verwendet zum Herstellen eines herkömmlichen Rades, erheblich minimiert, um Gewicht zu reduzieren, während eine adäquate Strukturstärke aufrechterhalten wird. Dieser Ansatz erhöht den Abstand zwischen benachbarten Speichen und erzeugt eine hohe Spannung entlang der Achse der Speiche. Als ein Resultat können die Speichen brechen oder durch Hinzufügen einer Vielzahl von Mechanismen an das Rad verstärkt werden. Die letztere Alternative frustriert das anfängliche Ziel der Gewichtsreduktion.
Jedoch hat die gegenwärtige Technologie von Radspeichen bestimmte Nachteile, basierend größtenteils auf der Ausgestaltung und der Zusammensetzung der Speichen. Durch Aussetzen metallischer Speichen hohen Spannungsniveaus ist, beispielsweise, der verwendbare Spannungsbereich - für Stoßabsorptionszwecke - in den Speichen erniedrigt. Diese Situation geht mit elastischer Hysterese unter den auferlegten Zugspannungen einher, die die Langzeithaltbarkeit der Speiche erheblich minimieren. Das Nachgebe- oder Kriechverhalten von Metallegierungen ist ein inhärenter Spannungsfreigabemechanismus und eine Hauptursache der Hysterese. Als ein Resultat sind die meisten Metallspeichen von ihrer Zusammensetzung her unfähig, Vibrationen zu dämpfen, es sei denn, sie versagen oder dehnen irrevesibel.
Das Phänomen des irreversiblen Dehnens wird im allgemeinen als ein Mangel an Erinnerung bezeichnet. Erinnerungsmangel in diesem Zusammenhang bedeutet, daß der spezielle Metallartikel dazu neigen wird, sich permanent zu dehnen und zu verbiegen, wenn im Betrieb Spannung oder Verzerrung angelegt wird. In kürze, wenn Kräften von konstanter Größe ausgesetzt, werden Metalle dazu neigen, sich an die Spannung und die Verzerrung, die sie angetroffen haben, zu erinnern und sich zu verbiegen und in die Richtung dieser Kräfte zu gehen. Dieses Erinnerungsphänomen ist ein Hauptspannungsfreigabemechanismus. Als ein Resultat tritt permanente Entformung auf, und Metallspeichen werden weich und härter zu spannen und, daraufhin, lasch über die Zeit hin.
Ein anderes Problem von Metallegierungsspeichen ist, daß sie unter einem zu großem Ausmaß an Spannung versagen können. Versagen von Metallspeichen ist routinegemäß unvorhersehbar und im allgemeinen vollständig, was möglicherweise zu dem kompletten Versagen des Rades führen kann.
Ferner ist dieses Versagungsprofil oft verstärkt durch die Inflexibilität von Metallspeichen. Steife Metalispeichen müssen zum Einbauen oft Spannungen und Verzerrungen ausgesetzt werden. Aufgrund der Grundausgestaltung des Rades und des inhärenten Charakters von Metallen, sich an Spannungs- und Verformungskräfte zu erinnern, kann dieses anfängliche Verbiegen oder Entformen zu einem Ermüden, Nachgeben oder Versagen nach dem Installieren und während des Gebrauchs führen.
In der oben erwähnten DE-U-89 04 773.7 ist eine Lösung für dieses Spannungsproblem von normalen, geraden Speichen in einem Fahrradrad dadurch bereitgestellt, daß den Speichen eine sinusförmige, gebogene Form gegeben wird, was sie "elastisch" in der Richtung der Speichenachse macht. In der Richtung senkrecht zu der besagten Achse sind die Speichen, jedoch, steif und nicht flexibel, wie normale, gerade Speichen
Die Aufgabe dieser Erfindung ist, ein Fahrzeugrad des oben beschriebenen Typs zu liefern, dessen Radspeichen ein geringes Gewicht aufweisen und stark genug sind, um ein haltbares Stützelement für Naben- und Felgenräder zu liefern.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der gegenwärtigen Erfindung ist das Fahrzeugrad dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Bereich jeder Speiche aus einem faserenthaltenden, flexiblen, seilartigen Material besteht, daß eine Zugfestigkeit von zumindest ungefähr 140 × 10³ N/cm² (= 0,2 × 10&sup6; Psi) aufweist.
Bei alternativen Ausführungsformen kann besagter mittlere Bereich eine Länge aufweisen, geeignet zum Bilden eines kontinuierlichen Netzwerkes zwischen der Nabe und der Felge, wobei besagtes Netzwerk zumindest zwei individuelle Speichenlängen aufweist.
Irgendeines einer Vielzahl von Anbringungsmitteln kann verwendet werden für diese Speichern, wie, beispielsweise, enthaltend vertiefte Köpfe, Verknoten, ausgeformte Gewinde, Preßfüße, Nieten oder Lochhaken, unter anderem.
Die Speichenausgestaltung der gegenwärtigen Erfindung dient dem Abstützen der mittigen Nabe und Welle durch Spannungshaltung, was entgegengesetzt der Druckhaltung ist, die eine traditionelle Fahrzeugradfelgenfunktion ist. Vibrationsenergie und plötzliche Stoßwellen können dissipiert oder gedämpft werden innerhalb der Multifilamentfaserspeiche. Diese Erfindung überwindet die inhärenten Defizite von Metallmaterialien und liefert ein neues Stoßabsorptionsrad, das dazu fähig ist, eine Vibration und einen Stoß, erzeugt von einer Straße, zu minimieren.
Andere Vorteile werden in der detaillierten Beschreibung der Erfindung deutlich werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1a u.1b sind perspektivische Seitenansichten einer ersten und zweiten Ausführungsform von Speichen, ausgestaltet gemäß den Prinzipien der gegenwärtigen Erfindung.
Fig. 2 ist eine Schnittansicht der in Fig. 1b gezeigten Speiche, genommen entlang der Linie 2-2 von Fig. 1b.
Fig. 3 ist eine Teilschnittansicht eines Endes der Speiche von Fig. 1b, genommen entlang der Linie 3-3 von Fig. 1b.
Fig. 4 ist eine Schnittansicht der Speiche von Fig. 1b, genommen entlang der Linie 4-4 von Fig. 1b.
Fig. 5a u.5b sind perspektivische Teilansichten, zeigend eine Technik zum Anbringen einer Speiche, ausgestaltet gemäß den Prinzipien dieser Erfindung, an eine Nabe bzw. eine Felge.
Fig. 5c - 5f sind Teilschnittansichten, darstellend verschiedene, alternative Techniken zum Anbringen von Speichen der gegenwärtigen Erfindung an Naben und Felgen.
Fig. 59 ist eine vergrößerte Fragmentansicht einer Felge, zeigend ein Mittel zum Anbringen von Speichen der gegenwärtigen Erfindung an eine Nabe.
Fig. 6a ist eine Seitenansicht einer dritten Ausführungsform einer Speiche, aufgebaut gemäß den Prinzipien der gegenwärtigen Erfindung.
Fig. 6b ist eine vergrößerte Ansicht des Felgenanbringungsmittels für die in Fig. 6a gezeigte Speiche, darstellend die Speiche als an eine Radfelge angebracht.
Fig. 6c ist eine perspektivische Fragmentansicht der Speiche von Fig. 6a, darstellend die Speiche in Betriebsanbringung an Bereiche einer Nabe und einer Radfelge.
Fig. 7a ist eine Seitenansicht einer vierten Ausführungsform einer Speiche, ausgestaltet gemäß den Prinzipien der gegenwärtigen Erfindung, wobei Teile derselben aufgebrochen sind, und gezeigt als an Teile einer Nabe und einer Radfelge angebracht.
Fig. 7b ist eine Fragmentschnittansicht durch die Nabe von Fig. 7a, genommen im allgemeinen entlang der Linie 7b-7b von Fig. 7a, darstellend die Anbringung der Speiche an die Nabe.
Fig. 8a ist eine perspektivische Explosionsansicht einer fünften Ausführungsform einer Speiche, die gemäß den Prinzipien dieser Erfindung ausgestaltet ist, darstellend die kontinuierliche Natur der Speichen.
Fig. 8b ist eine Seitenfragmentansicht eines Anbringungseinfassungsmittels zur Verwendung mit der Speiche von Fig. 8a.
Fig. 8c ist eine perspektivische Fragmentansicht einer alternativen Technik zum Anbringen der Speiche von Fig. 8a an eine Nabe.
Fig. 9a ist eine perspektivische Fragmentansicht eines Speichenmusters zum Befestigen einer Nabe und einer Radfelge mittels einer kontinuierlichen Speiche, ausgestaltet gemäß den Prinzipien dieser Erfindung.
Fig. 9b ist eine Seitenfragmentansicht des Speichenmusters von Fig. 9a.
Fig. 9c ist eine Seitenfragmentansicht, darstellend ein zweites, alternatives Speichenmuster zum Befestigen einer Nabe einer Radfelge in Übereinstimmung mit der gegenwärtigen Erfindung.
Fig. 9d ist eine Seitenansicht eines kompletten Radaufbaus, darstellend ein drittes, alternatives Speichenmuster zum Miteinanderverbinden der Nabe und der Felge in übereinstimmung mit der gegenwärtigen Erfindung.
Fig. 10a ist eine Seitenfragmentansicht einer sechsten Ausführungsform einer Speiche der gegenwärtigen Erfindung, darstellend die Speiche mit einem Gewindeanbringungsmittel.
Fig. 10b ist eine fragmentarische Schnittexplosionsdarstellung des Anbringungsmittels der in Fig. 10a gezeigten Speiche, im allgemeinen genommen entlang der Linie 10b-10b von Fig. 10a.
Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht eines Fahrzeuges mit Rädern, enthaltend Speichen, ausgestaltet gemäß den Prinzipien der gegenwärtigen Erfindung.
Fig. 12 ist eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer steifen Verbundspeiche der gegenwärtigen Erfindung.
Fig. 13 ist eine perspektivische, fragmentarische Explosionsansicht, darstellend die Anbringung der Speiche von Fig. 12 an eine Nabe.

Die detaillierte Beschreibung der Erfindung

Bezug nehmend auf die Zeichnung, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Teile über die verschiedenen Ansichten darstellen, wird im allgemeinen eine nachgiebige Radspeiche gezeigt, Fig. 1a und 1b, aufweisend ein erstes Ende 12 und ein zweites Ende 14 mit einem nachgiebigen Mittelbereich 10. Jedes einer Vielzahl von Anbringungsmitteln kann an die nachgiebige Radspeiche der gegenwärtigen Erfindung fest angebracht werden. Wie in Fig. 1a gezeigt, ist der vertiefte oder vergrößerte Kopf 20 an dem ersten Ende 12 der nachgiebigen Radspeiche ausgebildet, während ein Druckfuß 22 an dem zweiten Ende 14 der nachgiebigen Radspeiche der gegenwärtigen Erfindung ausgebildet ist.
Im Zusammenhang mit dieser Erfindung bedeutet "nachgiebig", daß das jeweilige Speichenmaterial sich frei biegen wird, oder sich biegen wird, wenn es einer mechanischen Kraft ausgesetzt wird, ohne zu versagen. Im Gegensatz dazu betrifft der Ausdruck steif in diesem Zusammenhang der Erfindung Materialien oder Verbundmaterialien, die sich nicht frei biegen werden, oder sich nicht biegen werden, wenn sie einer mechanischen Kraft ausgesetzt werden, ohne teilweise oder komplett zu versagen.
Zuerst wird sich dem nachgiebigen Mittelbereich der Radspeiche, gezeigt in Fig. 1a und 1b, zugewandt, wobei dieser nachgiebige Bereich funktioniert, um einen maximale Menge an Stärke und Haltbarkeit über die Lebensdauer der Speiche bereitzustellen. Vorzugsweise hat die Speiche eine Faserstruktur, die anzeigen wird, wenn die Speiche abgenutzt ist, und vor dem kompletten Versagen des Speichenmaterials warnt. Dieser nachgiebige Mittelbereich funktioniert auch, um ein Substrat zum Ausbilden oder Implantieren verschiedener Typen von Anbringungsmitteln an die Speiche sowie zum Befestigen dieser Anbringungsmittel durch einfache Handlungen wie Festziehen des ersten oder zweiten Endes der Speiche liefert.
Im Betrieb liefert der nachgiebige Mittelbereich der Speiche einen internen Dämpfmechanismus, durch den ein Straßenstoß oder eine andere Vibration absorbiert werden kann, anstatt über den Fahrzeugrahmen zu dem Fahrer übertragen zu werden. Der mittlere&sub1; nachgiebige Speichenbereich erleichtert auch die Fähigkeit der gegenwärtigen Erfindung, als ein flexibler, transportabler, leichtgewichtiger Artikel zu funktionieren, fähig zum einfachen Lagern und transportieren sowie Installieren in Gefahrensituationen.
Beispielsweise kann eine Fahrrad-Radspeiche, ausgestaltet gemäß dieser Erfindung, einfach von Touren- oder selbst Rennfahrradfahrern getragen und in das Rad eingefügt werden, auf das Versagen einer zuvor existierenden Speiche hin. Ferner erlaubt es die einfache Flexibilität der Speiche, daß sie einfach manipuliert und zwischen die Nabe und die Felge zur einfachen Anbringung und Verwendung eingefügt werden kann.
Ein zusätzlicher Vorteil der gegenwärtigen Erfindung ist ihr leichtes Gewicht. Insbesondere, gegeben das leichtere Gewicht der sehr starken Faserspeiche, wird ein Rad, ausgestaltet aus Speichen der gegenwärtigen Erfindung, wesentlich weniger Trägheitskraft benötigen, um Bewegung zu initiieren, und viel weniger Energie benötigen, um irgendeine gegebene Geschwindigkeit über irgendeine Zeitdauer hin aufrechzuhalten.
Im allgemeinen kann der nachgiebige Mittelbereich der Radspeiche irgendeine Anzahl von Materialien umfassen, die in Übereinstimmung mit denjenigen Parametern funktionieren, die oben angegeben sind. Insbesondere sind Materialien als nützlich in der gegenwärtigen Erfindung festgestellt worden, die, wenn unter axialer Verzerrung in eine Richtung im wesentlichen senkrecht zu der Radnabe in der Felge angeordnet, den vorteilhaften physischen Stärkeeigenschaften solcher Materialien erlauben, ausgenutzt zu werden.
Diese Materialien, die als besonders nützlich festgestellt worden sind, enthalten Fasern niedriger Dichte und hoher Stärke, die ein minimales Kriechen bei variablen Spannungsniveaus aufweisen oder, bei konstanten Spannungsniveaus, eine uniforme Spannung aufrechterhalten. Vorzugsweise liefern diese Materialien auch einen minimalen Verlust in Stärke über die Verwendungszeit. Fasern, die als nützlich festgestellt worden sind in der gegenwärtigen Erfindung, sind diejenigen, die eine niedrige Dichte, einen hohen Elastizitätsmodul (Young's-Modul), reduzierte Dehnung und hohe Zugfestigkeit aufweisen. Auch zeigen die bevorzugtesten Fasern, nützlich in der gegenwärtigen Erfindung, eine fast lineare Spannungs-Verformungs- Kurve bis zu einem Punkt des Versagens oder Brechens. Im allgemeinen ist die Speiche dieser Erfindung so ausgebildet, daß diese Fasern kontinuierlich von einem Ende zu dem anderen Ende innerhalb des Körpers der Speiche verlaufen. In anderen Worten, wenn Spannung ausgesetzt, gemessen in Krafteinheiten, liefern die bevorzugten Filamente eine lineare Verzerrungsantwort, gemessen in Längeneinheiten, bis zu dem Punkt, an dem die Faser bricht.
Insbesondere reicht die Dichte der in der gegenwärtigen Erfindung verwendeten Fasern von 0,95 gm/cc bis ungefähr 6,00 gm/cc, vorzugsweise von 0,97 gm/cc bis ungefähr 3,20 gg/cc und am bevorzugtesten von ungefähr 0,97 gm/cc bis ungefähr 2,75 gg/cc.
Währenddessen ist der Young's-Modul oder der Elastizitätsmodul der in der gegenwärtigen Erfindung nützlichen Fasern größer als 1 Million Psi, vorzugsweise reichend von ungefähr 5 Million Psi zu 125 Million Psi und am bevorzugtesten von ungefähr 10 Millionen Psi zu 60 Millionen Psi.
Auch, wenn einer Spannung oder einer Verformung ausgesetzt, werden die in der gegenwärtigen Erfindung nützlichen Fasern eine Enddehnung oder Dehnung beim Versagen von ungefähr 0,01 % bis 20 %, vorzugsweise von ungefähr 0,1 % bis 10 %, und am bevorzugtesten von 0,3 % bis 6 %, liefern.
Schließlich können die in der gegenwärtigen Erfindung nützlichen Fasern charakterisiert werden als diejenigen, die eine Zugfestigkeit von zumindest 0,1 × 10&sup6; Psi aufweisen, bevorzugter eine Zugfestigkeit von ungefähr 0,2 × 10&sup6; Psi bis 0,6 × 10&sup6; Psi aufweisen, und am bevorzugtesten eine Zugfestigkeit von ungefähr 0,3 × 10&sup6; Psi bis 0,6 × 10&sup6; Psi aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung enthalten Fasern, die sich als besonders nützlich herausgestellt haben, Materialien wie Aramidfasern, Kohlenstoffasern, Borfasern, Graphitfasern, Glasfasern, hochdichte Polyethylenfasern, andere hochdichte Polyolef infasern oder irgendeine andere Kombination daraus. Auch sind Faserbündel oder - stränge nützlich, die Metallegierungsfasern wie Kupferlegierungen und die gleichen Polymerfasern, wie diejenigen, die oben bereitgestellt worden sind, kombinieren.
Wie in Fig. 1a gesehen werden kann, sind die Fasern im allgemeinen in einer fast linearen Weise benachbart zueinander über die Länge der Speiche orientiert. In Fig. 1a sind die Fasern in einer Rohrform oder Zylinderform ausgebildet oder gesammelt. Alternativerweise können die Fasern in einer flacheren, streifenartigen Konfiguration, Fig. 1b, genommen werden. Die Speiche hat ein erstes Ende 12, das im allgemeinen an die Radnabe angebracht ist, und ein zweites Ende 14, das im allgemeinen an die Radfelge angebracht ist. Wie über die Figuren und insbesondere in den Fig. 2 bis 4 und 5a bis 5g gesehen werden kann, kann irgendein Mittel einer Vielzahl von Mitteln zum Anbringen der nachgiebigen Speiche entweder an die Radnabe 50 oder die Radfelge 60 verwendet werden. Im allgemeinen funktionieren die Anbringungsmittel, verwendet mit der nachgiebigen Radspeiche der gegenwärtigen Erfindung, um die nachgiebige Speiche derart anzubringen, daß die strukturelle Integrität der Felge und der Radnabe aufrechterhalten wird.
Der nachgiebige Mittelbereich der gegenwärtigen Erfindung kann auch beschichtet sein, um das nachgiebige Material vor Verschlechterung durch Umgebungselemente wie Ultraviolettstrahlung, Oberflächenabnutzung oder irgendein anderes Mittel, mit dem die Speichen während der Herstellung und Verwendung in Kontakt kommen können, zu schützen. Beschichtungsmaterialien, die als nützlich in der gegenwärtigen Erfindung festgestellt worden sind, enthalten im allgemeinen thermoplastische und thermogesetzte Harze, unter anderen Mitteln. Flecht- und Webmuster liegen ebenfalls innerhalb des Rahmens der gegenwärtigen Erfindung. Fasern, die in der gegenwärtigen Erfindung nützlich sind, können, beispielsweise, die gleiche Funktion durch radiales Umhüllen des Faserbündels mit einer leichtgewichtigen Faser, bildend eine Einfassung, die dazu dienen wird, das Faserbündel zu sichern und die hauptlasttragenden Fasern der Speiche zu schützen, erreichen. Es sollte auch verstanden werden, daß Füllmittel, Heilmittel, Formungsmittel, unter anderen Zugaben, auch in den Harzbeschichtungssystemen enthalten sein können.
Ein nachgiebiger Mittelbereich der gegenwärtigen Erfindung kann durch irgendein Mittel, bekannt von den Fachmännern, beschichtet werden, enthaltend Faserbeschichten, Farbbeschichten, thermoplastisches und wärmegehärtete Pultrusion, Spritzgießen, Tauchbeschichten, Sprühbeschichten, unter anderen Methoden.
Diese Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung liefert eine nachgiebige Speiche, die eine hohe Stärke und niedrige Dichte aufweist und mit Anbringungsmitteln kombiniert werden sollte, die die hohe Stärke des Speichenmaterials widerspiegeln. Weiterhin sollten die Anbringungsmittel eine sehr starke Anbringung der Speiche an die Nabe oder Felge ermöglichen, während gleichzeitig die lösbare Befestigung dieser Speiche entweder an die Radnabe oder an die Radfelge erlaubt ist, so daß, wenn ein Versagen der Speiche auftritt, sie von dem Rad entfernt und ersetzt werden kann. Demgemäß kann irgendein Anbringungsmittel einer Vielzahl von Anbringungsmitteln verwendet werden an entweder dem ersten Ende 12 oder dem zweiten Ende 14 der nachgiebigen Speiche, Fig. la und lb, enthaltend Speichenverknoten, Bilden von leichtgewichtiger Metallegierungshardware oder Imprägnation mit Harzen.
Verfahren zum Herstellen von Metallhardware auf der Speiche der gegenwärtigen Erfindung können irgendeines der allgemein den Fachmännern bekannten Verfahren sein. Bei dem Ausbilden von leichtgewichtiger Metallhardware auf der nachgiebigen Speiche der gegenwärtigen Erfindung ist Imprägnieren dieser Metallegierungen in das nachgiebige Speichenmaterial und die Materialtoleranz eine wichtige Überlegung. Direktes Ausformen von Anbringungsmitteln auf einem der Enden des Mittelbereichs der gegenwärtigen Erfindung darf nicht die mechanischen Eigenschaften der Fasern, umfassend diesen Mittelbereich, beeinflussen. Polyethylenklassenfasern können, beispielsweise, nicht viele Typen von Schmelz-Spritzgußoperationen überleben. Jedoch können Aramidfasern solche Prozesse überleben.
Eine wichtige Überlegung ist Entfernen der Wärme und Quentschen der Legierung bevor die Wärme Zeit gehabt hat, die Fasern zu beeinflussen. Hardware kann auch ausgebildet und/oder hergestellt werden mit einem Gefäß oder einer Öffnung, um das Ende der nachgiebigen Speiche ohne direktes Imprägnieren des Metalls in die Faser aufzunehmen. In diesem Fall ist das Ende der Speiche durch die Hardware hindurch erstreckt, aufweisend eine vorgeformte öffnung, und vergrößert durch irgendein Mittel einer Vielzahl von Mitteln, z.B. Anknoten oder Harzimprägnieren, um Freigeben des Speichenendes von der Hardware zu verhindern.
Die bevorzugten Hardwaremetalle und Legierungen besitzen Module und Zugstärken in dem gleichen Bereich wie die Fasern, verwendet in dem nachgiebigen Mittelbereich der gegenwärtigen Erfindung. Ihre Dehnungungswerte sind, jedoch, typischerweise größer als diejenigen, die in den Fasern gefunden worden sind, die in der gegenwärtigen Erfindung verwendet werden. Viele Metalle besitzen signifikante Nachgebeeigenschaften, die, wenn unter Spannung gesetzt, ihre Fähigkeit erniedrigen können, als eine Speiche zu fungieren. Eine wichtige Überlegung in der gegenwärtigen Erfindung ist die Fähigkeit der Speiche, eine fast lineare Spannungs-Verformungs-Kurve zu haben, wenn als eine Radspeiche verwendet.
Im allgemeinen enthalten Legierungen, die als Hardwareelemente in der gegenwärtigen Erfindung nützlich sind, Legierungen aus Kupfer, Eisen, Zink, Zinn, Magnesium, Mangan, Berylhum, Nikkel, Aluminium, Indium, Chrom, Titan, Wolfram, unter anderem.
Harzartige Materialien können auch verwendet werden, um Speichenhardware zu bilden, was ein Anbringen der gegenwärtigen Erfindung an die Radnabe und die Radfelge erleichtern wird. Im allgemeinen kann irgendein Typ von harzartigen Materialien, enthaltend thermoplastische und thermogesetzte Kunststoffe, verwendet werden, um Anbringungshardware auszubilden. Thermosetzharze, nützlich in der gegenwärtigen Erfindung, können, beispielsweise, Epoxide, Polyurethane, Silikone, Polyester, Acryle, Polyimide und Polybutadiene enthalten. Ferner enthalten Thermoplasten, nützlich in der gegenwärtigen Erfindung, Polypenylensulfid, Polyformaldehyd oder Acetalpolyurethan, Polyamid, enthaltend Nylon-(6,6), Nylon-(6), Nylon-(6,12), Nylon-(11), Nylon-(12), Polypropylen, Polyethylen, Polyetheretherketon, Polybutylenterephtalat, Polyethylenterephtalat, Polycarbonat, Polystyren, Styrenacrylonitril, Polyethylenimid und Polyamidimid, unter anderem.
Verfahren, die nützlich zum Ausbilden von harzartiger Hardware durch Imprägnieren der flexiblen Speiche der gegenwärtigen Erfindung sind, enthalten diejenigen Verfahren, die dem Fachmann bekannt sind, enthaltend ein Einfügungsformen oder Kompressionsformen, unter anderem.
Zuerst wird sich der in den Fig. 1a und 1b gezeigten Speiche zugewandt, wobei an dem ersten Ende 12 der Speiche ein vertiefter Kopf 20 fest angebracht ist, der durch irgendein Mittel einer Anzahl von Mitteln erzeugt werden kann, enthaltend Implantieren verschiedener Harze wie thermoplastischer Harze, thermogesetzter Harze oder selbst leichtgewichtiger Metalle in die Fasern, um einen sehr starken Knoten oder Kopf 20 auszubilden, der das erste Ende der Speiche in der Nabe halten wird. Dieses vertiefte Ende kann nur ein breitgemachtes Ende sein, Fig. 2, in das die Fasern der nachgiebigen Speiche während der Herstellung implantiert werden.
Im Querschnitt ist das vertiefte Ende 20 als das Anbringungsmittel des ersten Endes 12 durch Aufspreizen des ersten Endes des nachgiebigen Speichenmaterials und Vermischen des aufgespreizten Endes mit einem Harz, das, wenn ausgeheilt, eine abgerundete, vertiefte Anbringung 20 an dem ersten Ende der Speiche bilden wird, Fig. 3, angebracht. Wie gesehen werden kann, wird der Harz eindringen und sich um die individuellen Faserstränge innerhalb des ersten Endes der nachgiebigen Speiche bilden. Dieses Harzimprägnieren kann verwendet werden, um irgendein Anbringungsmittel einer Vielzahl von Anbringungsmitteln an dem ersten oder zweiten Ende der nachgiebigen Faserspeiche auszubilden.
An das zweite Ende 14 der nachgiebigen Speiche ist eine Druckfußanbringung 22 angebracht, um ein Anbringen der nachgiebigen Speiche an die Radfelge zu erleichtern, Fig. 1a und 1lb. Wie in Fig. 4 gezeigt, stützt das zweite Ende 14 der faserartigen, nachgiebigen Speiche der gegenwärtigen Erfindung einen Druckfuß 22, der im allgemeinen abgeflachte und geschnittene Seiten haben kann, um irgendeine Form einer Vielzahl von Formen auszubilden, wie eine hexagonale Form, erlaubend dem Druckfuß, mittels eines herkömmlichen Speichenschlüssels gedreht zu werden. Eine Öffnung 15 kann im allgemeinen innerhalb des Druckfußes 20 angeordnet sein, um eine männliche Schraube oder einen Bolzen aufzunehmen, die bzw. der sich von der Felge aus erstreckt, Fig. 1a und 1b.
Irgendein anderes Anbringungsmittel einer Vielzahl von Anbringungsmitteln kann in der gegenwärtigen Erfindung verwendet werden. Beispielsweise, wie in Fig. 5a zu sehen ist, kann jedes Ende der nachgiebigen Speiche in einen Knoten 11 festgezogen und durch eine Niete 25 eingefügt werden, die in die Radnabe oder die Radfelge eingedrückt oder aus derselben herausgedrückt werden kann. Wie in Fig. 5a gesehen werden kann, funktioniert die Basis der Druckscheibe 25, um das geknotete Ende 11 der nachgiebigen Speiche abzustützen und herausziehbar zu halten. Die Speiche kann dann durch eine Öffnung 23 in der Niete 25 gewunden werden, die die Speiche durch einen Kanal 23 einer endlichen Länge führt.
Im Betrieb kann die Druckscheibe in das Innere einer Nabe als ein Haltemittel des ersten Endes 12 der Speiche innerhalb der Nabe eingeführt werden, oder kann in das Innere der Felge als ein Haltemittel des zweiten Endes 14 der nachgiebigen Speiche eingefügt werden.
In Fig. 5b ist die inverse Konfiguration gezeigt, bei der das geknotete Ende 11 der nachgiebigen Speiche 10 durch die Öffnung 23 durch die Niete über die Nietenbasis 24 hinaus gewunden ist. Im Betrieb kann die Niete 25 in eine Radnabe oder in eine Radfelge gedrückt werden, wobei die Nietenbasis 24 die Niete gegen die Nabe oder die Felge abstützt und das geknotete Ende 11 der nachgiebigen Speiche an Ort und Stelle an der Kanalöffnung 23 hält, die einen kleineren Durchmesser als der Knoten 11 aufweist.
Die nachgiebige Speiche der gegenwärtigen Erfindung kann auch durch ihr eigenes geknotetes Ende 11 entweder auf der Radnabe oder der Radfelge an Ort und Stelle gehalten werden. Insbesondere, wie in Fig. 5c gesehen werden kann, ist die nachgiebige Speiche geknotet und durch ein Loch 52 innerhalb der Radnabe 50 gewunden. Der Durchmesser des Radnabenloches 52 ist ausgebildet, um kleiner als der Durchmesser des Knotens 11, festgezogen in dem Ende der nachgiebigen Speiche, zu sein.
Wie in Fig. 5d gesehen werden kann, wird das geknotete Ende der nachgiebigen Speiche 10 an der Nabe 50 durch die Basis 24 einer Schnappscheibe an Ort und Stelle gehalten, die, ihrerseits, durch das Nabenloch 52 gewunden ist. Diese Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung schützt die nachgiebige Speiche vor scharfen Enden oder Abnutzungen, was zu einem Versagen an dem Nabenloch 52 führen kann. Ferner erlaubt die Niete der Speiche, frei innerhalb des Umfangs des Nabenlochs zu drehen. Dies wird die Speiche davor bewahren, sich auf zuwickeln, wenn eine Einstellung an dem gegenüberliegenden Ende der Speiche gemacht wird, um die Speiche festzuziehen oder das Rad zu justieren.
Zusätzlich kann die Faser harzimprägniert im Bereich 53 sein (Kreuzmuster in Fig. 5d). Imprägnieren dieses Bereiches der Speiche hilft der Spannungsverteilung entlang des Krümmungsradius und der Spannungsübertragung von den Fasern auf die Nabe des Rads. Das Resultat ist, daß die Speiche selbst weniger Spannung während der Lebenszeit der Speiche ausgesetzt wird.
Abnehmbare Mittel können auch verwendet werden, um die Speiche an die Radnabe oder die Radfelge anzubringen. Beispielsweise, wie in Fig. 5e zu sehen, ist das Speichenende 11 hier wieder geknotet, jedoch vor dem Knoten durch eine Öffnung 23 in einen Druckfuß 26 eingeführt. Der Druckfuß 26 ist, seinerseits, in die Felge 60 eingeschraubt. Der Druckfuß 26 kann einen ausgenommenen Kopf 27 aufweisen, erlaubend dem geknoteten Speichenende 11, innerhalb der Ebene der Felge 60 und des Druckfußes 26 zu ruhen und nicht dem Bereich ausgesetzt zu sein, der aktiven mechanischen oder physischen Kontakt mit Elementen des Rohrs oder Zug empfangen kann. Der ausgenommene Kopf 27 des Druckfußes 26 kann auch als Sitz für das geknotete Ende 11 dienen und hilft der Spannungsverteilung von den Fasern auf das Anbringungsmitteln und in die Nabe. Wahlweise können andere Mittel zusätzlich zum Knoten verwendet werden, um das Speichenende innerhalb des Druckfußes festzusetzen.
Im Betrieb erlaubt diese Ausführungsform des Anbringungsmittels dem ersten Ende 12 der nachgiebigen Speiche, an die Nabe 50 über irgendein Mittel einer Vielzahl von Mitteln angebracht zu werden, enthaltend Verknoten, Vernieten oder irgendein anderes Mittel, das nicht einfach ein Anbringen liefert, d.h. ein Festziehen oder Spannen. Das zweite Ende 14 der nachgiebigen Speiche kann an die Felge 60 über ein Mittel angebracht werden, daß einfach ein Spannen oder Festziehen durch die Verwendung von Mitteln, wie Speichenschüssel, passend um die abgeflachten Seiten 29 des Druckfußes, erlaubt.
Im Betrieb wird dieses Merkmal einer Bedienperson erlauben, eine gebrochene Speiche aus dem Rad zu entfernen, das Ende der Speiche, das ein vertieftes oder verknotetes Ende aufweist, durch die Nabe zu winden und das unbehinderte Ende der Speiche in den Druckfuß einzuführen. Die Bedienperson würde dann nur das zweite. Ende 14 der nachgiebigen Speiche knoten müssen, um dem Druckfuß davor zu bewahren, aus der Speiche entfernt zu werden, und den Druckfuß in die Felge eindrehen müssen.
Eine andere alternative Ausführungsform eines einstellbaren Anbringungsmittels, nützlich in der gegenwärtigen Erfindung, ist ein Augenbolzen 28, Fig. 5f. Insbesondere ist das zweite Ende 14 der nachgiebigen Speiche durch die Öffnung in dem Augenbolzen 28 gewunden und dann auf sich selbst zurückgewebt. Der Augenbolzen 28 kann, seinerseits, durch eine Öffnung 26 in eine Mutter oder eine gesetzte Schraube 30 an der Basis der Felge 60 eingedreht werden. Die Speichen können dann festgezogen werden, und das Rad kann, seinerseits, ausgerichtet werden, durch Einschrauben des Augenbolzens weiter in die Felge 60.
Zusammen damit, harzimprägniert zu sein, um ein vertieftes Ende 20 zu erzeugen, kann die nachgiebige Faserspeiche 10 harzimprägniert sein, um Gewinde 31 an jedem Ende der nachgiebigen Speiche bereitzustellen, Fig. 59. In diesem Fall kann die nachgiebige Speiche der gegenwärtigen Erfindung harzimprägniert entweder an dem ersten und/oder dem zweiten Ende der Speiche sein.
Durch Ausform- oder Formgebungsverfahren, die den Fachmännern bekannt sind, können Gewinde an beiden Enden der Speiche durch Aufheizen und Formen des Harzes, der imprägniert ist, und der Reste innerhalb der Filamente oder durch Formgeben des Endes der Speiche ausgeformt werden. Die Speichen werden dann an irgendein Rad angebracht über die Verwendung von Druckfüßen 32, die Innengewinde aufweisen, die die Außengewinde 31 an dem Ende der nachgiebigen Speiche ergänzen.
Im Betrieb kann der Druckfuß 32 durch ein Loch 52 in der Nabe eingefügt und nach oben abgewinkelt sein, Fig. 59. Die nachgiebige Faserspeiche kann dann manuell in den Druckfuß an jedem Ende der Speiche eingeschraubt werden.
Eine zusätzliche Alternative eines Anbringungsmittels, nützlich mit der gegenwärtigen Erfindung, ist in Fig. 6a bis 6c gezeigt. Bei dieser Ausführungsform hat die nachgiebige Speiche wieder einen harzartigen oder metallischen Knoten 20 zur Anbringung an der Nabe 50 an dem ersten Ende 12 der Speiche. Räumlich getrennt von dem ersten Ende und im allgemeinen benachbart zu dem zweiten Ende 14 der Speiche sind eine Reihe von Nuten oder Gewinden 31 in oder durch den Speichenkörper ausgebildet, die gebogen sind, um einen Durchgang durch einen Einlaß 52 von festem Durchmesser in der Felge 60 zu erlauben, Fig. 6b. Das Abschrägen der Gewinde 31 verhindert auch das Lösen der Speichen, sobald festgezogen. Schließlich umfaßt diese Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung eine Halteseil oder einen Zuggriff 33 an dem zweiten Ende der Speiche, das bzw. der verwendet werden kann, um die Speiche festzuziehen.
Im Betrieb wird die Speiche durch die Nabenöffnung 52 gewunden und in Richtung der Felge 60 gezogen, Fig. 6c. Das Halteseil 33 wird dann durch die Felgenöf fnung 52 eingefügt und angezogen, um den Gewinden 31 zu erlauben, an die Felgenseitenwände anzugreifen, die die Öffnung 62 bilden. Das Halteseil 33 kann losgelassen werden, sobald die richtige Spannung in der Speiche erzeugt ist. Das Abschrägen der Gewinde 31 wird die Speiche davor bewahren, sich zu lösen. Die ausgebreiteten Gewinde und Halteseile können dann eingestellt werden, um eine Wechselwirkung mit dem Reifen zu verhindern.
Solch ein System kann sehr nützlich für gefährliche Reparaturen auf der Straße sein, die, wenn nicht vollendet, zu einem Rad von schlechter struktureller Integrität führen kann.
Eine alternative Ausführungsform der nachgiebigen Speiche mit einer einzigen Länge gemäß der gegenwärtigen Erfindung kann in Fig. 7a gesehen werden, bei der die Speiche eine doppelte Länge aus nachgiebiger Faser aufweist, die verknotet oder harzimprägniert an dem zweiten Ende 14 ist, um einen geknoteten oder vertieften Kopf 20 bereitzustellen. Die doppelte Länge an nachgiebiger, kontinuierlicher Speiche wird dann durch einen Druckfuß 26 gewunden.
Wie in Fig. 7b gezeigt, kann die Länge der Speiche dann durch ein Stützloch 52 der Radnabe 50 eingefügt und um sich selbst herumgelegt werden, um fest an die Nabe 50 angebracht zu werden. Der Druckfuß kann dann in die Feige 60 eingeschraubt und durch irgendein herkömmliches Mittel wie beispielsweise einen Speichenschlüssel festgezogen werden. Hier können die Fasern der Speiche 10 sich wieder frei innerhalb des Druckfußes 26 drehen, um ein Festziehen ohne Biegen zu erleichtern, Fig. 7a. Alternativerweise kann die Feige 60 ausgestaltet sein, um den Druckfuß 26 über Mittel aufzunehmen, die zurückziehbar den Druckfuß 26 halten, während sie wackeln oder sich drehen, wenn der Druckfuß in die Feige eingedreht wird, verhindernd ein Beugen der nachgiebigen Speiche.
In Übereinstimmung mit einer alternativen Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung wird eine "kontinuierliche", nachgiebige Radspeiche geliefert, wie in Fig. 8a gezeigt. Im allgemeinen umfaßt die kontinuierliche, nachgiebige Radspeiche der gegenwärtigen Erfindung ein erstes Ende 12 und ein zweites Ende 14 mit einem flexiblen Mittelbereich 10. Die kontinuierliche, nachgiebige Speiche kann zwischen einer Nabe und einer Feige über Anbringungsmittel angebracht werden, wie die Gewinde 31, gezeigt sowohl an dem ersten als auch dem zweiten Ende der Speiche.
Im Rahmen der gegenwärtigen Erfindung kann die Speiche angebracht und festgezogen werden durch Mittel wie, beispielsweise, Speichenschlüssel oder andere Mechanismen, die den Fachmännern bekannt sind.
Verschiedene komplementäre Mittel können verwendet werden, um die Speiche an die Radnabe und die Radfelge zu befestigen oder anzubringen. In diesem speziellen Fall sind Druckfüße 26 gezeigt, angebracht an das erste Ende 12 und das zweite Ende 14 der Speiche an der Feige, Fig. 8a. Bei Verwendung wird die Speiche durch die Nabe 50 gewunden, die das Gewinde der nachgiebigen, kontinuierlichen Speiche akzeptiert. Die nachgiebige, kontinuierliche Speiche kann irgendeine Länge aufweisen, bereitstellend ein Rad, das ein kontinuierliches oder semikontinuierliches Netzwerk zwischen der Radfelge und der Radnabe über das komplette System aufweist.
Ein Vorteil eines "kontinuierlichen", nachgiebigen Speichensystems gegenüber einem nicht-kontinuierlichen oder "einlängigen", nachgiebigen Speichensystem ist eine reduzierte Menge an notwendiger Hardware zum Befestigen der Speiche an der Felge und der Nabe. Die reduzierte Hardware reduziert ferner das Gewicht des Rads, und das Rad benötigt, seinerseits, weniger Trägheitskraft zum Initiieren einer Drehung und Gesamtenergie zum Aufrechthalten der Geschwindigkeit des Rades über die Zeit. Diese Kraft- und Energieeinsparungen übersetzen sich, ihrerseits, in erhöhte Treibstoffwirtschaftlichkeit, unabhängig von dem Fahrzeug, auf dem das Rad verwendet wird.
Im Betrieb kann die kontinuierliche, nachgiebige Speiche wiederholt zwischen der Nabe und der Radfelge gespannt werden, verwendend Schutzeinfassungen 36, die verwendet werden können, um die nachgiebige Speiche vor scharfen Metallkanten an entweder dem Ort der Feige oder der Nabe zu isolieren, Fig. 8b.
Ein anderes Mittel zum Verwenden der kontinuierlichen, nachgiebigen Feige der gegenwärtigen Erfindung ist, die Speiche durch die Nabe an dem Loch 52 zweimal zu winden, wodurch effektives Sichern der Speiche gegen Gleiten oder Bewegen bewirkt wird, wenn sie unter Spannung angeordnet ist, während das Rad tatsächlich verwendet wird, Fig. 8c. Zusätzlich liefert diese Erfindung ein Mittel zum Ändern der Länge der Speiche während einer Feidreparatur.
Hier schwächt diese Erfindung wieder Probleme ab, denen man bei der Verwendung von steifen Metalispeichen begegnet, durch Variieren des Krümmungsradius der Speiche. Der Radius, um den die Faser gewickelt ist, kann verändert werden, um ungleichmäßige Spannungsverteilung über den Durchmesser der Speiche zu verhindern. Ein Draht, der um einen dichten Radius gewickelt ist, führt, beispielsweise, zu Zugspannungen an der Außendurchmesserfläche des Drahtes und zu Druckspannungen an der Innenseite des Drahtes.
Die gegenwärtige Erfindung vermeidet diese Spannungen durch Verwendung von Mehrfachfilamenten und minimiert den Spannungsverteilungsgradienten über irgendeines der lasttragenden Fasern. Zweitens können verschiedene mechanische Hilfsmittel verwendet werden, um diesen Radius zu maximieren und, wiederum, den negativen Effekt des schmalen Radius zu eliminieren.
Eine Alternative zu der doppelten Länge einer kontinuierlichen, nachgiebigen Speiche ist, eine kontinuierliche, nachgiebige Speiche zu liefern, die eine Länge aufweist, die groß genug ist, um ein kontinuierliches Mehrfachweggewebe zwischen der Feige und der Nabe des Rads zu liefern, wie in Fig. 9a gezeigt. In diesem Fall kann irgendein Webmuster einer Anzahl von Webmustern verwendet werden, das irgendeine Stärke einer Vielzahl von Stärken dem gegebenen Rad liefert, enthaltend Drei-Kreuzmuster, Fig. 9b und Vier-Kreuzmuster, Fig. 9c.
Das Webmuster kann Nabe-Felge-Konfigurationen sowie Muster, die sowohl Nabe-Felge- als auch Felge-Nabe-Konfigurationen aufweisen, enthalten. Insbesondere hilft ein Weben der Speiche in einem sich überlappenden Muster zwischen benachbarten Felgenlöchern 62 ohne Zurückkehren des Gewebes zu der Nabe dem Verteilen von Außenspannung, realisiert im Betrieb über das Rad, und nicht nur zurück durch die Radnabe. Hier kann wieder dieses Webmuster irgendeine Konfiguration einer Vielzahl von Konfigurationen annehmen, wie das vierseitige Gewebe, gezeigt in Fig. 9d. Diese Speichenmuster sind genauso anwendbar für irgendeine der Ausführungsformen der gegenwärtigen Erfindung, hier offenbart. Eine weitere alternative Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung ist in Fig. loa gezeigt. In diesem Fall ist eine kontinuierliche, nachgiebige Speiche zwischen der Feige 60 und der Nabe 50 gespannt. Zwei autonome Längen an Speiche, bei der die jeweils längere Speiche (A) durch die Feige 60 gewunden ist und die jeweils kürzere Speiche (B) durch das mittige Loch 52 an der Nabe 50 gewunden ist, miteinander verbunden sind, Fig. 10a.
Im Betrieb ist die Speichenlänge (A) an die Speichenlänge (B) über irgendein Mittel einer Vielzahl von Mitteln angebracht, enthaltend, beispielsweise, die Schraube 28 und die Mutter 40, die in Fig. 10b gezeigte Hardware. In diesem Fall wird das Schraubenende 38 der nachgiebigen Speiche (A) in die Gewindeaufnehmmutter 40 der Speichenlänge (B) eingeschraubt werden. Die Mutter 40 der Hardware kann so eingestellt werden, daß sie dreht, damit die Speiche sich nicht fest bindet und nicht einstellbar wird. Anordnen der Anbringungshardware 38, 40 für die Speiche benachbart zu der Radnabe 50 minimiert die Gewichtsmenge an der Radfelge 60 und minimiert auch, wiederum, die Schwungkraft, notwendig, um ein Drehen zu initiieren und eine Drehgeschwindigkeit des Rads aufrechtzuerhalten.
Dieser Vorteil ist besonders relevant, wenn die nachgiebige Speiche der gegenwärtigen Erfindung in Rädem 70 auf Fahrzeugen wie Automobilen oder kleineren, leicht gewichtigeren Fahrzeugen verwendet wird, bei denen Energieverbrauchsüberlegungen besonders relevant sind.
In Übereinstimmung mit einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird eine steife, gleichmäßig zusammengesetzte Speiche (C) geliefert, die ein erstes Ende 12 und ein zweites Ende 14 sowie einen steifen Mittelbereich 10 aufweist, Fig. 12. Hier kann wieder irgendein Anbringungsmittel einer Vielzahl von Anbringungsmitteln verwendet werden, und, wie in Fig. 12 gesehen werden kann, ist ein vertiefter Kopf 20 an dem ersten Ende der steifen Speiche angeordnet, und Gewinde 31 sind an dem zweiten Ende der steifen Speiche angeordnet.
Die gleichmäßig steife Speiche der gegenwärtigen Erfindung (C) liefert im allgemeinen eine viel stärkere, leichtere Speiche als Metallegierungsspeichen und vermeidet, ferner, die Hystereseprobleme, die von diesen Metallspeichen gezeigt werden. Im Gegensatz zu der vorangehenden Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung stützt diese steife zusammengesetzte Speiche (C) die Nabe durch Druckkräfte, die die Übertragung von Spannungen, denen im Betrieb begegnet wird, wie Straßenvibration über das Rad, erleichtert. Hier führen wieder die physikalischen Eigenschaften der Verbundmaterialien dazu, daß ein Rad eine überlegene strukturelle Integrität aufweist. Ferner vermeidet der gleichmäßige Aufbau dieser Multifilamentverbundspeiche viele der Spannungs- und Verformungsprobleme, die potentiell zu einem Versagen anderer vielteiliger Speichen oder einsträngiger Metallegierungsspeichen führen können.
Im allgemeinen umfaßt die steife, gleichmäßige Speiche ein System aus Fasern, imprägniert mit einer Vielzahl von Harzen, wobei die Fasern entlang der kompletten Länge der Speiche verlaufen. Zuerst wird sich den Fasern zugewandt, die von irgendeinem allgemein bekannten Typ sein können, um eine höhere Stärke und niedrige Dichte aufzuweisen, um Einsparungen im Gewicht zu bieten, während immer noch die notwendige strukturelle Integrität vorliegt. Ferner liefert die Verwendung von Fasern, die entlang der kompletten Länge der Speiche laufen, und das Imprägnieren dieser Fasern an kritischen Spannungsflächen in der Speiche ein System, das eine hohe strukturelle Integrität aufweist. Dieser Speichenaufbau überwindet jede Notwendigkeit zur Verwendung von Metallegierungen in der Verstärkung der Spannungspunkte in der Speiche.
Im allgemeinen sind die Fasern, von denen es sich herausgestellt hat, daß sie nützlich beim Herstellen dieser Ausführungsform der Erfindung sind, diejenigen Materialien, die die physikalischen Charakteristiken aufweisen, die als nützlich für die nachgiebigen Ausführungsformen der gegenwärtigen Erfindung festgestellt worden sind, enthaltend vorzugsweise Aramidfasern, Kohlenstoffasern, Borfasern und Polyethylenfasern niedriger Dichte, unter anderem.
Harze, die sich als in dem Verbundartikel nützlich herausgestellt haben, enthalten jedes Material einer Vielzahl von thermoplastischen oder wärmehärtbaren Polymermaterialien, die die erforderliche strukturelle Integrität für die steife, unitäre Speiche der gegenwärtigen Erfindung ähnlich bereitstellt zu der, die beim Herstellen der Anbringungsmittel, verwendet bei den vorherigen beiden Ausführungsformen, als nützlich festgestellt worden ist. Harze, die in der gegenwärtigen Erfindung nützlich sind, enthalten Epoxide, Polyurethane, Silikone, Polyester, Acryle, Polyimide und Polybutadiene.
Hitzehärtbare Formmassen, die als Harze in der gegenwärtigen Erfindung verwendet werden können, enthalten, beispielsweise, das Reaktionsprodukt von Orthotolylbiguanid und Bisphenol A- Epichlorohydrin; Triglycidylisocyanuratzusammensetzungen; Bisphenol A-Epichlorohydrin, gehärtet mit einer phenylvernetzenden Lösung; aliphatische Urethanduroplasten, wie unblockiertes Isophorondiisocyanat-e-Caprolactan, das mit einem abgeschlossenen Polyesterharz vernetzen kann; das Reaktionsprodukt aus 3,3,4,4-Benzophenontetracarboxyldianhydrid und Bisphenol A- Epichlorohydrid; das Reaktionsprodukt von carboxyliertem, gesättigtem Polyesterhärtemittel und Bisphenol A-Epichlorohydri;, sowie Bisphenol A-Epichlorohydrinduroplasten, die mit 2-Methylimidazol ausgehärtet sind; und Standard- Bisphenol A-Epichlorohydrinduroplasten, die mit 2-Methylimidazol und Diicyandiamid ausgehärtet sinb, unter anderen vernetzenden Lösungsmitteln.
Ein thermoplastischer Harz kann auch verwendet werden, um die steife Speiche der gegenwärtigen Erfindung auszubilden. Hier können wieder thermoplastische Kunststoffe irgendeiner allgemeinen Natur verwendet werden, einige Beispiele enthaltend Polyphenylsulfid, Polyformaldehyd oder Acetalpolyurethane, Polyamide, enthaltend Nylon-(6,6), Nylon-(6), Nylon-(6,12), Nylon-(11), Nylon-(12), Polypropylen, Polyethylen, Polyetheretherketon, Polybutylenterephthalat, Polyethylenterephthalat, Polycarbont, Polystyren, Styrenacrylonitril, Polyetherimid und Polyamidimid, unter anderem.
Im allgemeinen können die gleichmäßig steifen Speichen der gegenwärtigen Erfindung durch Zusammensetzungsverfahren präpariert werden, die den Fachmännern gut bekannt sind, enthaltend Kombinieren der Faser und des Harzes, um eine vorimprägnierte Zusammensetzung von sich ändernder Dicke, Breite oder Faserorientierung innerhalb des vorimprägnierten Verbunds zu bilden, und dann Aushärten des vorimprägnierten Verbunds, wenn notwendig.
Ein Faserkabel kann, beispielsweise, auf eine sich frei drehende Abwicklungsspule aufgebracht werden. Die Faser wickelt sich von der Spule zwischen zwei Spannungsstangen auf Führungskegel ab, die die Fasern so ausrichten, daß sie richtig in ein abgedichtetes Harzreservoir eintritt. Eine rostfreie Stahldosierfarbe kann verwendet werden, um die Faser auszurichten und das Reservoir abzudichten.
Während die Faser in das Reservoir eintritt, geht sie durch ein Imprägniermaterial hindurch und über Aufspreizstäbe, die die individuellen Stränge der Faser separieren.
Die Faser kann das Reservoir über eine andere rostfreie Stahldosierfarbe verlassen, die das Imprägniermaterial und die Faser zusammenzwingt, die Menge des Imprägniermaterials, die in die Faser geht, dosiert und den Durchmesser der resultierenden, imprägnierten Faser festsetzt. Die imprägnierten Fasern können dann in fertiggestellte Speichen verarbeitet werden. In der Anwendung kann die Harzfaser nur durch das Loch 52 innerhalb der Nabe 50 eingeführt und dann durch die Nabe 50 in Richtung der Feige in gleicher Weise wie eine herkömmliche Speiche eingezogen werden, Fig. 13. Vorzugsweise ist das zweite Speichenende 14 ausgebildet, um Gewinde 31 aufzuweisen, die zusätzlich an einen einstellbaren Druckerfuß angebracht sein können, der in der Basis der Felge sitzt.
Die steife, unitäre Speiche der gegenwärtigen Erfindung kann in einer Vielzahl von Radkonfigurationen verwendet werden, wie, beispielsweise, Drei- und Vier-Kreuzmuster, ähnlich wie die für die nachgiebige Speiche der gegenwärtige Erfindung verwendeten Muster, wie in Fig. 9a bis 9d zu sehen. Eine Reihe von steifen, unitären Speichen können in einem Fahrradrad verwendet werden. Das tatsächliche Muster oder die tatsächliche Überlappung zwischen jeder der unitären Speichen und dem Rad kann variiert werden, abhängig von den Stärke/Gewichts-Charakteristiken, die der Benutzer für das Rad haben möchte.
Nunmehr werden Arbeitsbeispiele bereitgestellt, um die Vorteile der gegenwärtigen Erfindung weiter darzubieten. Diese Arbeitsbeispiele sollten jedoch nicht als die gegenwärtige Erfindung beschränkend, sondern nur als Beispiele verschiedener Ausführungsformen der hier beanspruchten Erfindung angesehen werden.

ARBEITSBEISPIELE

Beispiel 1

Eine Speiche, die gemäß einem ersten Beispiel ausgebildet ist, verwendete eine hohle, mit einem Gewinde versehene Blechhülse, durch die 15.000 Denier, Kevlar(R)-29-(Typ 960) Faserbündel gewunden und verknotet wurde. Das andere Faserende wurde durch eine Aluminiumniete gewunden und ein Knoten wurde in das Ende der Faser angeordnet. Dieses Beispiel zeigte, daß Kevlar(R) effektiv mit metallischen Materialien kombiniert werden kann und die Materiallücke zwischen der Faserchemie und der Chemie der Metailmaterialien überbrücken kann. Diese Faser wurde daraufhin in ein Rad eingeflochten.

Beispiel 2

Die Speiche dieses Beispiels verwendete die gleichen Fasern wie Beispiel 1. Die Fasern wurden mit einem General-Electric- Raumtemperaturvulkanisier-(VTR) Klarsilikondichtmittel per Hand beschichtet.
Nach dem Beschichten wurde den Fasern erlaubt, unter Zimmertemperaturbedingungen für eine Zeitdauer von 24 Stunden auszuhärten, wonach ein Ende der beschichteten Fasern durch das herausgebohrte Zentrum eines herkömmlichen Speichendrückerfußes gewunden wurde. Die Speiche wurde dann durch ein vorgeformtes Loch in der Feige eingefädelt. Das gegenüberliegende Ende der Fasern wurde direkt an der Nabe festgebunden.

Beispiel 3

Die Speiche dieses Beispiels verwendete die gleichen Fasern wie in Beispiel 1. Die Fasern wurden dann mit einem thermoplastischem Heißschmelzklebemittel von der 3M Company #3764 durch ein Faserseparierpultrusionsverfahren beschichtet. Das Verfahren bestand aus einem Separieren der zehn individuellen 1.500- Denier-Faserbündeln aus dem kompletten Faserstrang, wonach das Heißschmelzklebemittel auf die individuellen Faserbündel aufgebracht wurde, wobei gleichzeitig die zehn Bündel zusammengebracht wurden. Die Geschwindigkeit des Verfahrens erlaubte dem Heißschmelzklebemittel, vor dem Aufwickeln des beschichteten Faserstrangs abzukühlen. Diese Faser wurde dann verwendet, um den gleichen Speichentyp wie in Beispiel 1 herzustellen.

Beispiel 4

Die Speiche dieses Beispiels verwendete die gleichen Fasern wie in Beispiel 1. Ein Faserstrang wurde in zehn individuelle Faserbündel, jeweils mit 1.500 Denier, abgetrennt. Jedes Faserbündel wurde mit einem thermoplastischem Heißschmelzklebemittel von der 3M Company #3764 durch Fahren der Faserbündel durch einen Schlitz in einer 3 mm dicken Schicht aus Teflon (R) beschichtet, die verwendet wurde als eine Beschichtungsform für das geschmolzene Klebemittel. Das beschichtete Faserbündel wurde dann zum Schnüren eines 27''-Fahrrad unter Verwendung eines komplexen 3- und 4-Kreuzknüpfmusters, das jeder Faser erlaubte, in einer versagungssicheren Weise orientiert zu sein, verwendet. Ein herkömmlicher Quadratknoten wurde verwendet, um jedes Faserbündel durch Umhüllen der losen Ende um die Nabe zu befestigen. Dies erlaubte den Faserbündeln, Spannungen ausgesetzt zu werden.

Beispiel 5

Die Speiche dieses Beispiels verwendete die Fasern von Beispiel 1. Ein Knoten wurde in das Ende des Faserstrangs gebunden, wobei der Knoten durch ein 15 Inch langes, wärmeschrumpfendes Rohrstück gefädelt wurde. Eine Wärmepistole wurde dann verwendet, um das Rohr um den Faserstrang und den Knoten zu schrumpfen. Dieses Beispiel demonstrierte ein Mittel zum Schutze des Faserstrangs mit einer schützenden, wärmeschrumpfbaren, äußeren Plastikhülle, ohne Imprägnieren der Fasern.

Beispiel 6

Die Speiche dieses Beispiels verwendete die Fasern von Beispiel 1. Ein Red-Devil-Satin-Polyurethan-Holzlack wurde zum Beschichten des Faserstrangs verwendet. Den Lösungen in dem Lack wurde erlaubt, für 24 Stunden vor einem Aufbau einer fertiggestellten Speiche, konsistent mit Beispiel 1, zu trocknen.

Beispiel 7

Die Speiche dieses Beispiels verwendete die gleichen Fasern und die gleiche Beschichtung wie Beispiel 6. Der beschichtete Faserstrang wurde auf einer Seite einer Fahrradnabe festgebunden. Das andere Ende des Faserstrangs wurde durch einen Augenbolzen gewunden, das, seinerseits, an der Nabe des Rads befestigt war. Das Hakenloch wurde dann gedreht, was die beschichtete Faser dazu brachte, uniform verdrillt zu werden, wodurch das Faserbündel zwischen der Nabe und der Feige des Rads festgezogen wurde.

Beispiel 8

Die Speiche des Beispiels 7 wurde aufgebaut und am eine Nabe und eine Feige festgezogen unter Vermeidung eines Verdrillens der Speiche durch Festziehen einer Schraubenmutter innerhalb der Feige auf das Ende des Augenbolzens.
Die obige Diskussion, die obigen Beispiele und Daten illustrieren unser gegenwärtiges Verständnis der Erfindung. Jedoch, da viele Variationen der Erfindung gemacht werden können, ohne von dem Rahmen der Erfindung abzuweichen, ist die Erfindung komplett in den hieran anhängenden Ansprüchen beherbergt.

Claims

1. Fahrzeugrad, umfassend

- eine Radnabe (50),

- eine Radfelge (60) und

- eine Vielzahl von Radspeichen, aufweisend ein erstes Ende (12) sowie ein zweites Ende (14) und einen mittleren Bereich (10), der sich dazwischen erstreckt,

- ein erstes Anbringungsmittel (20), das benachbart zu besagtem ersten Speichenende (12) befestigt ist, und ein zweites Anbringungsmittel (22), das benachbart zu besagtem zweiten Ende (14) befestigt ist,

wobei besagte Speichen zwischen besagter Nabe (50) und besagter Feige (60) quer verlaufen, wobei besagte Speichen verbindbar besagte Nabe (50) innerhalb des Umfangs besagter Felge (60) abstützen,

dadurch gekennzeichnet, daß

besagter mittlere Bereich (10) jeder Speiche aus einem faserenthaltenden, flexiblen, seilartigen Material besteht, das eine Zugfestigkeit von zumindest ungefähr 140.10³ N/cm² (= 0,2 × 10&sup6; psi) aufweist.

2. Fahrzeugrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß besagter nachgiebige, mittlere Bereich (10) ein Material umfaßt, das einen Elastizitätsmodul von mehr als 700.10³ N/cm² (= 106 psi), eine Höchstdehnung von ungefähr 0,01% bis 20% und eine Zugfestigkeit von mehr als 140.10³ N/cm² (= 0,2.10&sup6; psi) aufweist.

3. Fahrzeugrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß besagtes Speichenmaterial ein nachgiebiges Material umfaßt, wobei besagtes Material aus einer Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus metallischen Materialien, nichtmetallischen Materialien und Mischungen davon.

4. Fahrzeugrad nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß besagtes nachgiebige Material ausgewählten ist aus der Gruppe, bestehend aus Aramidfasern, Kohlenstoffasern, Borfasern, Glasfasern, Graphitfasern, Polyolefinfasern, Keramikfasern oder Kombinationen davon.

5. Fahrzeugrad nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, daß

besagter mittlere Bereich (10) eine Länge aufweist, die zum Bilden eines kontinuierlichen Netzwerkes zwischen der Nabe (50) und der Feige (60) geeignet ist, wobei besagtes Netzwerk zumindest zwei individuelle Speichenlängen aufweist.

6. Faserenthaltene, flexible, seilartige Speiche zum Anbringen in einem Fahrzeugrad nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5.