DE9407840U1 - Speichenrad für Landfahrzeuge - Google Patents

Description

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft Speichenräder für Landfahrzeuge, insbesondere mus ke L ge t r i ebene Landfahrzeuge,, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Das typische muskeLgetriebene Landfahrzeug ist das Fahrrad. Der größte Gegner des Radfahrers ist der Luftwiderstand. Es hat daher nicht an Versuchen und Vorschlägen gefehlt, den Luftwiderstand zu verringern, angefangen von der Kleidung des Fahrers bis hin zum Fahrrad und seinen Einzelteilen.

Ein wichtiges Teil jedes Landfahrzeugs sind die Räder. Dies gilt auch für muskelgetriebene Landfahrzeuge, &zgr;. &Bgr;. Fahrräder. Der am weitesten verbreitete Radtyp ist das Speichenrad, bestehend aus einer zentralen Nabe und einer den Gummireifen tragenden Felge, beide über eine Vielzahl von Speichen aus Stahldraht miteinander verbunden. Jede Speiche stellt eine Quelle von Luftwirbeln dar, das sich drehende Speichenrad entwickelt somit eine dem Luftwiderstandsbeiwert proportionale Bremskraft.

Zur Reduzierung des Luftwiderstandes ist es bekannt, den Querschnitt der Speichen zu verändern und/oder die Zahl der Speichen zu reduzieren. Im Hallenradsport werden auch speichenlose Scheibenräder verwendet,

Es darf vermutet werden, daß es schon immer der Wunsch eines jeden Benutzers von muskelgetriebenen Landfahrzeugen gewesen war, die Kraft des Windes als Vortriebskraft einzusetzen, wie es beispielsweise bei Segelschiffen möglich ist. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Speichenrad für insbesondere muskelgetriebene Landfahrzeuge anzugeben, das mit Hilfe des Windes, auch des Fahrtwindes,

eine Vortriebskraft erzeugt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Speichenrad mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Dank der erf i ndungsgetnäßen Speichenform werden mehrere Effekte zur Erzeugung der Vortriebskraft in Kombination wirksam. Bei Luftströmung genau von vorne bzw. von hinten werden die unterschiedlichen Luftwide rstandsbeiwerte wirksam, bei Luftströmung von der Seite wird Auftrieb erzeugt, und zwar zum einen durch Ausbildung von Unterdruck vor dem Speichenkopf, vergleichbar einer Flugzeugtragfläche, zum anderen durch die Wirkung der Schaftfläche als schräg angestellte Platte. Dank der erfindungsgemäßen Speichenform ergibt sich bei jeder beliebigen Richtung der Luftströmung ein die Rotation des Speichenrades unterstützendes Drehmoment, wobei es völlig gleichgültig ist, ob die Luftströmung atmosphärischen Ursprungs oder durch die Bewegung des Landfahrzeuges selbst hervorgerufen ist.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung schließen die Schenkel einen stumpfen Winkel zueinander ein. Dadurch ergibt sich ein relativ flaches Profil des Speichenkopfes, was für das Entstehen von Auftrieb durch den Tragflächeneffekt ebenso vorteilhaft ist wie der Schaft, dessen Seitenflächen einen spitzen Winkel zueinander e i nsch I i eßen.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die VorderfLächen der Schenkel konvex gewölbt, insbesondere stromlinienförmig. Dies führt zu einer vorteilhaften Reduzierung des Luftwide rstandsbeiwert es bei Luftströmung direkt von vorne.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die

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Rückflächen der Schenkel konkav gewölbt. Dies führt zu einer vorteilhaften Vergrößerung des Luftwiderstandsbeiwert es bei Luftströmungen von hinten.

Vorteilhafterweise ist die Vorderkante des Speichenkopfes in Längsrichtung der Speiche gesehen - konkav gewölbt. Dies führt zu einer weiteren Reduzierung des Luftwiderstandsbeiwertes bezüglich Luftströmungen von vorne bzw. zu einer wünschenswerten weiteren Erhöhung des Luftwiderstandsbeiwertes bezüglich Luftströmungen von hinten.

Es hat sich herausgestellt, daß bei drei regelmäßig am Rad verteilt angeordneten Speichen ein Optimum erreicht wird bezüglich Vortriebskraft und Radfestigkeit einerseits und Seitenabtriebskraft andererseits.

Des weiteren wäre auch eine Verwendung der Erfindung bei motorgetriebenen Landfahrzeugen - sowohl ein- als auch zweispurigen - denkbar. Bei letzteren käme die Erfindung als Halbprofil zum Einsatz. In beiden Fällen ist eine Verringrung des Energieverbrauchs und somit eine Senkung des Schadstoffausstoßes wünschenswert.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 rein schematisch ein Fahrrad mit zwei Speichenrädern in Seitenansicht,

Fig. 2 ein auf dem Erdboden abrollendes Rad in Seitenansicht, wobei die Geschwindigkeiten der verschiedenen Radteile eingezeichnet sind,

Fig. 3 die für das Rad der Fig. 2 geltenden

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DrehmomentgLeichungen und -kurven,

Fig. 4 ein sich um seine stationäre Achse frei drehendes Rad in Seitenansicht, wobei die Geschwindigkeit der Luftströmung eingezeichnet ist,

Fig. 5 die für das Rad der Fig. 4 geltenden DrehmomentgLeichungen und -kurven,

Fig. 6 einen Querschnitt durch eine erste Speiche, Fig. 7 einen Querschnitt durch eine zweite Speiche,

Fig. 8 eine rein schematische VeranschauLichung der Wirkung von Luftströmungen, die von hinten auf die Speiche der Fig. 7 wi rken,

Fig. 9 eine schematische Darstellung der Wirkung von Luftströmungen, die von vorne auf eine Speiche der Fig. 7 wirken und

Fig. 10 eine Ansicht eines vierrädrigen Landfahrzeugs mit HaLbprofi L-Speichenrädern.

Fig. 1 zeigt rein schematisch ein Fahrrad 1 mit Speichenrädern 10 aLs Vorder- und Hinterrad. Jedes Speichenrad 10 besitzt drei gLeichmäßig am Umfang verteilte Spei chen 11.

Querschnitte durch die Speichen 11, 11' sind in den Fig. bzw. 7 dargestellt. Die Speichenquerschnitte sind symmetrisch zur Mittelachse 16. Jede Speiche 11, 11' besitzt einen Kopf 12 mit einer Vorderkante 13 und zwei pfeiLförmigen Schenkeln 14 sowie einen langen, schLanken Schaft 15. Die Seitenflächen 19 des Schaftes 15 schließen

einen spitzen Winkel zueinander ein. Die Schenkel. 14 schließen einen stumpfen WinkeL zueinander ein. Ihre VorderfLachen 17 sind entweder eben (Fig. 6) oder konkav, insbesondere st rom Linienförmig gewölbt (Fig. 7). Ziel dieser Maßnahmen ist es, den Luftwide rstandsbeiwert bei Luftströmung von vorne möglichst klein zu halten und bei Luftströmungen von der Seite einen Vortrieb nach Art eines Tragflächeneffektes zu erzeugen.

Die Rückflächen 18 der Schenkel 14 sind konkav gewölbt, um einen möglichst hohen Luftwiderstandsbeiwert bei Luftströmung von hinten sicherzuste LLen.

Wie Fig. 1 erkennen läßt, ist die Vorderkante 13 des Speichenkopfes 12 - in Längsrichtung der Speichen 11 gesehen - ebenfalls konvex gewölbt, so daß der Luftwiderstandsbeiwert bei Luftströmungen von vorne weiter verringert, bei Luftströmungen von hinten dagegen weiter erhöht wird.

Anhand der Fig. 2 bis 5 sollen die Auswirkungen der erfindungsgemäßen Speichenform auf die auf das Rad 10 wirkenden Drehmomente erläutert werden.

Fig. 2 zeigt ein bei ruhender Luft (Vmft = 0) auf dem Boden roLLendes Rad 10. Direkt am Boden hat das Rad die Geschwindigkeit Vßad = 0, in Höhe der Nabe die Geschwindigkeit VEad und am oberen Felgenkranz die Geschwindigkeit 2 ■ Vsad- Durch das Rollen des Rades entsteht eine Luftströmung, der sogenannte Fahrtwind, dessen Geschwindigkeit über der Höhe genau der Geschwindigkeit der Radteile entspricht, lediglich mit umgekehrter Richtung.

Fig. 3 zeigt die zugehörigen Drehmomentg Ieichungen und -kurven. Dabei bedeuten

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F = StirnfLäche der Speiche,

R = Radius des Rades,

&khgr; = Abstand vom Boden,

Cwx = Luftwiderstandsbeiwert bei Luftströmung von vorn,

Cw2 = Luftwiderstandsbeiwert bei Luftströmung von hinten.

Man erkennt, daß das auf den Kopf der Speiche (11) wirkende Drehmoment m1(x) bzw. M1 kleiner ist als das auf die Rückseite der Speiche (11) wirkende Drehmoment m2(x) bzw. M2. Beide Drehmomente wirken bremsend auf das Rad 10.

Fig. 4 zeigt das Rad 10 der Fig. 2, das sich jetzt frei um seine Achse 2 dreht. Die Achse 2 des Rades 10 steht (Vsad = 0). Ein Wind mit der Geschwindigkeit Vmft bläst von vorne auf das Rad 10.

Fig. 5 zeigt die zugehörigen DrehmomentgLeichungen und -kurven. Man erkennt, daß das von der Luftströmung Vnaft auf die Rückseite der Speiche 11 ausgeübte Drehmoment m4(x) bzw. M4 wegen des größeren Luftwiderstandsbeiwertes c_W2 größer ist als das auf die Vorderseite der Speiche mit dem Luftwiderstandsbeiwert c_wi ausgeübte Drehmoment m3(x) bzw. M3. Das Rad 10 wird daher in Drehung versetzt.

Da sich Kräfte und mit ihnen auch Drehmomente in der Physik linear überlagern, können die vier in den Fig. 3 und 5 dargestellten Teildrehmomente zu einem Gesamtdrehmoment addiert werden. Daraus laßt sich dann der Zusammenhang ableiten zwischen dem Verhältnis Cw2/c_wi und dem Verhältnis Viuft/Vsad/ bei dem eine Luftströmung von vorne das auf der Erde abrollende Rad entgegen der Windrichtung antreibt. Vorausgesetzt, die sonstigen Widerstands- und Reibungskräfte werden vernachlässigt, erhält man folgenden Zusammenhang:

c„₂/c„i 1,1 1,2 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 d 20,5 10,5 4,5 2,5 2,2 1,5 1,3

Man sieht, daß mit zunehmenden Werten von c_W2/c_wi der durch das Rollen des Rades auf dem Erdboden erzeugte Fahrtwind einen immer größeren Kraftbeitrag zur Rotation des Rades liefert, so daß der Radfahrer insoweit kräftemäßig entlastet wird. Dabei ist die Absolutgeschwindigkeit, mit der das Rad roLlt, ohne Auswirkung.

Die Fig. 8 und 9 sollen rein schematisch veranschaulichen, daß die das Rad 10 in der richtigen Richtung in Rotation versetzenden Kräfte nicht nur dann erzeugt werden, wenn Luftströmung genau von vorne bzw. von hinten auf die Speichen 11, 11' trifft, sondern daß diese Wirkungen auch bei Luftströmungen erreicht werden, die unter beliebigen Winkeln von der Seite auftreffen. Je nach Richtung der Luftströmung überwiegt dabei der Auftrieb, den der Kopf der Speiche 11 nach Art einer Tragfläche erzeugt, oder der Auftrieb, den der Schaft 15 der Speiche 11 nach Art einer schräg angestellten Platte erzeugt, oder es überwiegt der Einfluß der unterschiedlichen Luftwiderstandsbeiwerte c_wi bzw. cw 2·

Fig. 10 zeigt rein schematisch eine Ansicht eines Landfahrzeugs 20 mit beispielsweise vier gummibereiften Speichenrädern 10'. Aufgrund ihrer Position an den Seiten des Fahrzeugaufbaus 20 können seitliche Winde jeweils nur eine Seite der Räder 10' beaufschlagen. Daher sind die erfindungsgemaßen Speichen nur jeweils als Halbprofil ausgebi Idet.

Claims (8)

· &igr; Schutzansprüche:

1. Speichenrad (10, 10') für insbesondere muskeLgetriebene Landfahrzeuge (1), gekennzeichnet durch die Merkmale:

- die Speichen (11) besitzen
-- einen Kopf (12)

mit einer Vorderkante (13) und wenigstens einem pfeiLförmigen SchenkeL (14) -- und einen Langen, schLanken Schaft (15).

2. Speichenrad nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die He rkmaLe :

- es sind zwei SchenkeL (14) vorgesehen,

- die Mittelebene (16) der Speichen (11) Liegt in der Mittelebene des Rades (10, 10'),

3. Speichenrand nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch das Me rkma L :

- die SchenkeL (14) schließen einen stumpfen Winkel zue i nande r ein.

4. Speichenrad nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- die Seitenflächen (19) des Schaftes (15) schließen einen spitzen Winkel zueinander ein.

5. Speichenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- die Vo r de r f La" chen (17) der SchenkeL (14) sind konvex, insbesondere stromlinienförmig gewölbt.

6. Speichenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- die Rückflächen (18) der SchenkeL (14) sind konkav gewölbt.

7. Speichenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6,, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- die Vorderkante C13) des Kopfes (12) ist - in Längsrichtung der Speiche (11) gesehen - konkav gewölbt

8. Speichenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- ein Rad (10, 10') besitzt drei regelmäßig verteilte Speichen (11).