CN100422036C - 可调节的气弹簧悬挂系统 - Google Patents

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Abstract

一种气弹簧悬挂系统，其可在调节行程时调节弹簧刚度。所述悬挂系统包括车架(20)、压力腔(34)、压缩活塞组件(32)、调节组件(36)、活塞管(30)、以及销(64)。所述活塞管(30)可操作地连接到调节组件(36)和压缩活塞组件(32)上，且活塞组件(32)被构造成可沿活塞管(30)滑移，从而改变压力腔(34)中的压力。所述调节组件(36)与车架(20)相连，且可操作用来相对于车架(20)轴向定位活塞管(30)并同样也轴向定位活塞组件(32)，从而调节悬挂系统的行程。所述销(64)被构造成可响应于由调节组件(36)引起的活塞管(30)和活塞组件(32)的轴向位移而可变地在压力腔(34)内定位，该销(64)在压力腔(34)内的可变定位会改变压力腔中的压力。

Description

可调节的气弹簧悬挂系统
技术领域
本发明涉及气弹簧悬挂系统，更具体地涉及一种能在调节行程时调节弹簧刚度的气弹簧悬挂系统。
背景技术
自行车包括悬挂系统，从而在地形不平整时为乘骑者提供缓冲。自行车悬挂系统一般位于前叉、后叉、座管、或者自行车架的其它位置。典型的前悬架包括两个腿部，每个腿部都具有内、外伸缩套管。至少一个腿部包括弹性元件，用于偏压内管和外管使它们彼此分离，并用于吸收施加在车叉上的压力。所述弹性元件可以是盘簧、弹性体弹簧、气弹簧等。通常将所述管可相对于彼此压缩的最大量称为车叉的行程。早期的悬架能够有大约50mm的行程。但是，随着乘骑者开始以更快的速度穿过更崎岖不平的地形，就需要更大的行程来吸收更大的乘骑作用力。因此，近来的悬架被设计成具有125mm或者更大的行程设定。但是，由于凸起的前端形状以及由此引起的弹簧刚度降低，具有更长行程的车叉可能不方便骑乘，骑车上坡时更是如此。乘骑者也许要根据他要穿过的地形类型来选择车叉。例如，长行程的车叉用于崎岖不平的下坡地形，中行程的车叉用于平坦的地形，而短行程的车叉用于上坡地形。
现有自行车悬架的另一个问题是它们不必要的过重。除了增加自行车的整体重量外，车叉的重量还影响自行车的操纵。因此，减轻重量对于乘骑者来说很重要，尤其是对那些参加竞赛的乘骑者来说更是如此，因为在竞赛中，减轻重量能提供重要的竞争优势。
已经设计出了具有可调行程的自行车悬挂系统，但是大多数是使用螺旋压力弹簧，这增加了不必要的重量。为了解决这个问题，有时使用气弹簧悬挂系统。现有气弹簧车叉的一个问题是乘骑者必须进行两步处理来调节行程。首先，转动旋钮选择所需行程，然后，将车叉手动压缩到所需的行程设定。因此，需要一种轻型自行车悬架系统，该系统能提供适合下坡、平地和上坡地形的易于调节的行程。
发明内容
本发明涉及气弹簧悬挂系统，更具体地涉及一种能在调节行程时调节弹簧刚度的气弹簧悬挂系统。所述悬挂系统包括：车架、压力腔、压缩活塞组件、调节组件、活塞管、以及销(probe)。所述活塞管可操作地连接到调节组件和压缩活塞组件上，且压缩活塞组件被构造成可沿活塞管滑移，从而改变压力腔中的压力。所述调节组件与车架相连，且是可操作的，以相对于车架轴向定位活塞管且同样也轴向定位压缩活塞组件，从而调节悬挂系统的行程。所述销被构造成可响应于由调节组件引起的活塞管和压缩活塞组件的轴向位移而在压力腔内可变化地定位，该销在压力腔内的可变定位会改变压力腔中的压力。
通过调节所述销在压力腔内的位置以及活塞组件沿活塞管的位置，调节组件还可为新的行程设定调节弹簧刚度。通常，对于较短的行程设定，需要较硬或较高的弹簧刚度，而对于较长的行程设定，则需要较低的弹簧刚度。当调节所述调节组件以减小行程时，销进一步进入压力腔，且活塞组件沿活塞管移动或定位，这两种位移都减少了压力腔的体积从而增大了弹簧刚度。同样地，当调节所述调节组件以增大行程时，销从压力腔中进一步退出，且活塞组件沿相反方向移动或定位，这两种位移都增加了压力腔的体积从而减少了弹簧刚度。因此，本发明在任何行程设定都能无须单独调节气体压力就可提供所需的弹簧刚度，这使得乘骑者可在乘骑过程中(在空中)不用从外部增加压力腔的气体或者从压力腔向外放气就能改变车叉的行程。当然，如有需要还可包括连接到车架上并与压力腔相通的阀，用于调节压力腔中的压力设定。
本发明的气弹簧悬挂系统还可包括备用腔，该备用腔通过阻风活塞与压力腔分开。所述阻风活塞构造成允许受限气流从压力腔流到备用腔，并允许较少受限气流从备用腔流回到压力腔。
从下面对本发明某些实施方案的描述并结合附图将会更加全面地理解本发明的这些和其它特征及优点。
附图说明
在这些附图中：
图1是根据本发明一个实施方案的前气体悬架的前视图；
图2是图1的气体悬架的其中一个腿部的剖视图；
图3是图2所示的腿部的部分剖视图，具体表示出调节组件；
图4是图2所示的腿部的横截面图，具体表示出连接到促动器或者旋钮的销；
图5是图2所示的腿部的横截面图，具体表示出可滑动地连接到随动元件的销；
图6是图2所示的腿部的部分剖视图，具体表示出阻风活塞；
图7至图9是图2所示的气体悬挂系统的腿部的剖视图，具体表示出车叉的不同行程设定；
图10是本发明另一实施方案的剖视图；
图11是图10所示的调节组件的部分剖视图；
图12是本发明又一实施方案的剖视图；
图13是图12所示的调节组件的部分剖视图。
具体实施方式
图1至图9表示出自行车前悬架10，其包括根据本发明的一个实施方案的气弹簧悬挂系统11。但是，根据本发明的气弹簧悬挂系统可用在后减震器、座垫杆、或自行车架上的其它位置。同样，本发明的气弹簧悬挂可用在摩托车以及其它把手转向车辆上。参见图1，自行车前悬架10包括：连接到转向管14上的肩盖(crown)12、第一腿部16、以及第二腿部18。腿部16、18中的每一个都包括上管20和下管22。尽管上管20被表示成可在下管22中滑动的内管，但是应理解，可选择地，下管可重新构造成可在重新构造的外管内滑动的内管。此外，尽管管20、22被表示成具有大致圆形的截面，但是可以理解的是，它们可被构造成具有任何截面形状。内管20和外管22在它们的远端24处连接到肩盖12上，并在远端26通过挂钩(dropout)28连接到轮轴(未示出)上。
参见图2，所述气弹簧悬挂系统一般包括：活塞管30；压缩活塞组件32；压力腔34或气弹簧，用于偏压内管20和外管22从而使它们彼此分离；调节组件36，用于调节悬挂系统11的行程；以及销64，其可变地定位在压力腔34中；所有这些都围绕车架元件(在本实施方案中为内管20)布置。可以理解的是，虽然针对通常包括内管20和外管22的前悬架对本发明进行了描述，但是本发明也可应用在通常包括在单个活塞管内滑动的活塞组件的后悬架中。活塞管30可滑动地安装在车架或内管20中。活塞组件32可滑动地安装在活塞管30中。活塞组件32通常包括压缩活塞38，压缩活塞38通过挡圈42固定在活塞杆40的端部39上，允许该活塞38绕活塞杆40转动。活塞杆40延伸穿过内管20的底部，并通过螺母44固定在外管22上。活塞38具有内O形环46和外O形环48，它们分别与活塞杆40和活塞管30形成气密密封。衬套50通过挡圈52固定在内管20的底部附近，并用作活塞杆40的导向件。
可通过气阀(Schrader valve)54用气体来给压力腔34加压，优选地，气阀54设置在车架或内管20的一个端部56处。在图1至图9的实施方案中，气体进入气阀54，然后在进入压力腔34之前流过通道58。可根据所需的悬架10的刚度来调节压力腔34内的压力。压力腔34内的压力偏压压缩活塞38使其抵靠负压弹簧60，负压弹簧60设在活塞38和通过挡圈63固定在活塞管30上的衬套61之间。
当自行车受到冲击时，压缩活塞38克服压力腔34内渐增的压力而朝内管20的端部56向上移动，从而吸收冲击。冲击过后，压缩活塞38克服负压弹簧60朝其初始位置返回。负压弹簧60被表示为盘簧，但可包括其它类型的弹簧(例如气弹簧或弹性体弹簧)。
在图1至图9的实施方案中，使内管20与外管22分离的轴向降至最低点的距离称为车叉的行程，且该距离可通过操作设在内管20的端部56处的调节组件36(如图3所示)来调节。调节组件36可包括促动器，在本实施方案中是旋钮62，旋钮62可沿第一方向转动以将内管20和外管22定位得更靠近，从而减小车叉10的行程，且可沿第二方向转动以将内管和外管定位成离得更远，从而增大车叉10的行程。在所示的实施方案中，通过使形成在旋钮62和销或轴64上的八边形表面配合而将旋钮62可转动地装配在该轴64上(见图4)。调节轴64大致是柱状的，并可由铝制成。气阀54优选设在轴64的端部66处，而阻风活塞74优选通过挡圈76安装在轴64的另一个端部70处。气阀54和阻风活塞74可交替地布置在悬架中，只要它们与压力腔34保持连通即可。
调节组件36还可包括可与促动器62一起转动的驱动元件78，在本实施方案中该驱动元件拧进车架或内管20的端部51中。驱动元件78还包括与随动元件84的螺纹82匹配啮合的螺纹80。随动元件84和键72一起沿销或轴64被可滑动地引导，键72形成在轴64上并被随动元件84上的狭槽73接收(见图5)。这样，当旋钮62转动时，随动元件84通过驱动元件78的转动而轴向移动。随动元件84的下部可包括密封安装在活塞管30上的柱状部分86，由O形环88在活塞管30和柱状部分86之间形成密封，并由O形环92在销或轴64和柱状部分86之间形成密封。柱状部分86通过内挡圈94固定在活塞管30中。随动元件84可由诸如注塑成形的迭尔林(Delrin，聚甲醛树脂)的光滑塑料制成。销或轴64构造成延伸穿过随动元件84的孔96。
悬架10还可包括备用腔90，该备用腔90通过阻风活塞(也被称为漏活塞)74与压力腔34分开。所述阻风活塞构造成允许受限气流从压力腔34流到备用腔90，并允许较少受限气流从备用腔流回压力腔。在所示的实施方案中，气流通道位于阻风活塞74和轴64之间。参照图6，当压力腔34中的压力大于备用腔90中的压力时，阻风活塞74移动成阻风活塞74的上表面98与调节轴64的下表面100接触，从而致使受限气流从压力腔34流到备用腔90。阻风活塞74和调节轴64的表面98、100可形成有纹路或以其它方式变形，从而使气体能从压力腔34缓慢流到备用腔90。可选的是，可在阻风活塞74的上表面98和轴64的下表面之间设置带纹路的垫圈或由透气材料(例如毡)制成的垫圈。相反地，当备用腔90中的压力大于压力腔34中的压力时，阻风活塞74相对于挡圈76而向下移动，从而使阻风活塞74的上表面98和轴64的下表面100分离，由于挡圈76在圆周上不均匀，从而致使较少受限气流从备用腔90流回压力腔34中。当调节旋钮62来改变行程时，由于气流(甚至是从压力腔流到备用腔的受限气流)量足以使压力腔34和备用腔90中的压力达到平衡，所以压力腔34和备用腔90中的压力保持大致相等。但是，在外部冲击载荷作用下，穿过阻风活塞74从压力腔到备用腔的流动通道(在本实施方案中位于阻风活塞和轴64的表面98、100之间)变得受限制太多，以至不能在外部载荷作用的短时间内平衡两个腔之间的压力。因此，在剧烈突然的外部载荷作用的短时间内，备用腔的附加体积变得无法利用，从而导致理想的弹簧刚度的峰值或增加。
当旋钮62沿第一方向转动时，轴64使驱动元件78转动，而驱动元件78又使随动元件84轴向向上移动。随动元件84的向上运动也使连接的活塞管30、衬套61、负压弹簧60、以及压缩活塞组件33向上移动。这些部件的向上运动减小了内管的衬套50和位于外管22的底部处的压缩缓冲件104之间的相对距离，从而导致车叉10的行程减小。随动元件84相对于阻风活塞74的向上运动还增大了备用腔90的体积并减小了压力腔34的体积。通过使销或轴64的位置更深入到压力腔34内，也减小了备用腔90和压力腔34的组合体积，从而致使弹簧刚度增大。
当旋钮62沿第二方向转动时，轴64使驱动元件78转动，驱动元件78又使随动元件84轴向向下移动。随动元件84的向下运动也使连接的活塞管30、衬套61、负压弹簧60、以及压缩活塞组件33向下移动。这些部件的向下运动增大了内管的衬套50和位于外管22的底部处的压缩缓冲件104之间的相对距离，从而导致车叉10的行程增大。随动元件84相对于阻风活塞74的向下运动还减小了备用腔90的体积而增大了压力腔34的体积。通过使销或轴64的位置进一步远离压力腔34，也增大了备用腔90和压力腔34的组合体积，从而致使弹簧刚度减小。
当沿任一方向调节车叉10的行程时，无论受限的还是较少受限的气流都可在压力腔34和备用腔90之间流动，从而使压力腔34和备用腔90中的压力保持大致相同。
图7至图9分别表示出调节至长、中和短行程设置的悬架10。使不同的行程设置具有不同的弹簧刚度是有好处的。例如，对于较短的行程设置，需要较硬的弹簧刚度以防止车叉接触到底。当调节悬架10的行程时，同时也为新的行程设置调节了弹簧刚度。例如，当车叉10的行程减小时，压力腔34的整体体积减小，从而导致压力腔34中的压力增大，因而弹簧刚度相应增大。同样，当车叉10的行程增大时，压力腔34的整体体积增大，从而导致压力腔34中的压力降低，因而弹簧刚度相应减小。有利的是，不必外部调节气体压力就可在任意行程设置下达到所期望的弹簧刚度。
参见图10至图11，这些图表示出本发明的另一实施方案，除了气体悬挂系统200包括延伸的调节轴202而不包括阻风活塞和备用腔外，该实施方案与图1至图9的实施方案类似。在本实施方案中，更大的调节轴202能使更大体积的气体在压力腔34中移动，从而使得当调节促动器62时弹簧刚度的变化相应更大。
参见图12至图13，这些图表示出本发明的又一实施方案，除了包括具有内螺纹304的随动元件302(其与具有外螺纹308的调节轴306匹配啮合)外，该实施方案与图1至图9的实施方案类似。该结构可易于适用于如在图1至图11所示的本发明的前面实施方案中所述的那样包括阻风活塞和备用腔。
尽管已经参照几个实施方案对本发明进行了描述，但是要理解的是，可在所述的本发明构思的精神和范围内做出各种变化。因此，本发明并不局限于公开的这些实施方案，而是包括所附权利要求的措词许可的全部范围。

Claims (15)

1. 一种气弹簧悬挂系统，它包括：
车架；
压力腔；
压缩活塞组件；
与车架相连的调节组件；
活塞管，其与所述压缩活塞组件可操作地连接，
所述压缩活塞组件可沿活塞管滑移，以改变压力腔中的压力，
所述调节组件机械地连接到活塞管上，且可操作用来使所述活塞管和压缩活塞组件相对于车架轴向移动，以调节悬挂系统的行程；以及
销，它与所述车架相连并构造成可响应于由调节组件引起的活塞管和压缩活塞组件的轴向位移而可变地在压力腔中定位，该销在压力腔内的可变定位会改变压力腔中的压力。
2. 如权利要求1所述的悬挂系统，其特征在于，所述调节组件还包括可操作用来定位调节组件的促动器。
3. 如权利要求2所述的悬挂系统，其特征在于，所述调节组件还包括驱动元件和随动元件；所述驱动元件可操作地连接到促动器上并可与该促动器一起移动，从而使随动元件移动；所述随动元件可操作地连接到所述活塞管上并可与该活塞管一起移动。
4. 如权利要求3所述的悬挂系统，其特征在于，所述销形成驱动元件。
5. 如权利要求3所述的悬挂系统，其特征在于，所述促动器包括可转动的旋钮，且所述驱动元件与随动元件螺纹联接，该驱动元件可与旋钮一起转动，以使随动元件轴向移动。
6. 如权利要求5所述的悬挂系统，其特征在于，所述旋钮与驱动元件一体形成。
7. 如权利要求5所述的悬挂系统，其特征在于，还包括备用腔，该备用腔通过阻风活塞与压力腔分开，该阻风活塞允许受限气流从压力腔流到备用腔，并允许较少受限气流从备用腔流到压力腔。
8. 如权利要求7所述的悬挂系统，其特征在于，所述阻风活塞安装在销上并构造成可沿活塞管滑移，该阻风活塞与活塞管密封接合。
9. 如权利要求5所述的悬挂系统，其特征在于，还包括与车架和压力腔相连的阀，该阀允许对压力腔内的压力进行外部调节。
10. 如权利要求2所述的悬挂系统，其特征在于，还包括备用腔，该备用腔通过阻风活塞与压力腔分开，该阻风活塞允许受限气流从压力腔流到备用腔，并允许较少受限气流从备用腔流到压力腔。
11. 如权利要求10所述的悬挂系统，其特征在于，所述阻风活塞安装在销上，并构造成可沿活塞管滑移，该阻风活塞与活塞管密封接合。
12. 如权利要求2所述的悬挂系统，其特征在于，还包括与车架和压力腔相连的阀，该阀允许对压力腔内的压力进行外部调节。
13. 如权利要求1所述的悬挂系统，其特征在于，还包括备用腔，该备用腔通过阻风活塞与压力腔分开，该阻风活塞允许受限气流从压力腔流到备用腔，并允许较少受限气流从备用腔流到压力腔。
14. 如权利要求13所述的悬挂系统，其特征在于，所述阻风活塞安装在销上并构造成可沿活塞管滑移，该阻风活塞与活塞管密封接合。
15. 如权利要求1所述的悬挂系统，其特征在于，还包括与车架和压力腔相连的阀，该阀允许对压力腔内的压力进行外部调节。
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