DE19702188A1 - Luftfederungssystem eines Sattels von Zweiradfahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen luftgefederten Sattel bei Zweirädern, insbesondere bei Fahrrädern, bei dem der Feder­ wert der jeweiligen Belastung, dem Gewicht des Fahrers, individuell durch Druckregulierung angepaßt werden kann und die Eigenfrequenz unabhängig von der Belastung konstant bleibt. Desweiteren wird durch konstruktive Abstimmung des Luftfederbalgtypes mit den Anschlußteilen der optimal gewünschte Federungskomfort bezüglich axialer, lateraler, angularer und der Torsionskräfte erreicht.

Das Wesen der Federn ist in der Eigenschaft fast aller Körper begründet, sich unter der Einwirkung äußerer Kräfte elastisch zu verformen und die dabei aufgenommene Arbeit durch Rückfederung wieder abzugeben.

Bei einer zylindrischen Stahlfeder ergibt sich z.Bsp. eine gerade Kennlinie, die bei richtiger konstruktiver Auslegung auf eine bestimmte optimale Belastung eine recht komfortable Federung ergibt. Bei abnehmender Last aber z.Bsp. wird die Federung immer härter und unkomfor­ tabler.

Bei der Federung der Zweiradsättel wird in der Regel die sich bisher in der Praxis durchgesetzte einfache zylind­ rische Stahldruckfeder eingesetzt.

Daß der Federungskomfort dieses Stahlfederungssystems äußerst unvollkommen ist, zeigt eine Vielzahl von Entwick­ lungen, die die Federung des Sattels optimaler gestalten wollen.

Diese sind unter anderem:

• - Aufhängung des Sattels in einem Gummi-Metall-Gelenk
• - starre pneumatische oder hydraulische Druckfedern in Teleskoprohren, zum Teil kombiniert mit Stahlfedern
• - aufblasbare, gasgefüllte Satteldecken, zum Teil gefüllt mit fließfähiger, komprimierbarer Masse
• - Sattelkörper aus Integralschaum mit integrierten mech­ anischen Druckfedern
• - mit einstellbaren mechanischen Federn, zum Teil aus ver­ schiedenen Gleit- und Stützelementen
• - federnde Sattelstütze aus gebogenen Metallstäben
• - durch zusätzliche mechanische Schwingtriebe, zum Teil mit Parallellenkung
• - Längsachspendelsattel
• - Zug-/Druckfederpaket mit Elastomerfeder

Diese Lösungen sind zum Teil sehr aufwendig und kosten­ intensiv, erfordern große Bauräume, sind problematisch bei den spielfreien Gleitsitzen der Systeme, erfordern größten­ teils Sonderkonstruktionen des Fahrradrahmens und/oder des Fahrradsattels und erfüllen bestenfalls nur Teilan­ forderungen eines gesamtheitlichen guten Federungssystems bei Zweirädern.

Als lastregelbares Federelement ist Luft wesentlich bes­ ser geeignet. Komprimierte Luft ist zwar ein relativ hartes Medium, aber durch eine Reihe physikalischer und konstruktiver Maßnahmen kann mit Hilfe der Luftpolster eine sehr weiche Federung erzielt werden. Diese Notwendig­ keit ist in der Anmeldung G 93 19 424.2 nicht erkannt worden. Bei der beschriebenen Lösung, die über einen zyl­ indrischen Gummizylinder aus Textilgummi mit eingearb­ eiteten Fahrradschlauchventil und starren Führungen in Axialrichtung durch Sechskantrohren den Federungskom­ fort erhöhen will, wurde der Umstand, daß komprimierte Luft ein hartes Medium ist, nicht berücksichtigt. Die Luftfeder in der dargestellten Konstruktion ergibt keine weichere Federkennlinie als z.Bsp. eine Stahlfeder mit ähnlichem Federkennwert. Somit kann dieses angegebende Sattelluftfedersystem nicht den erforderlichen Federungs­ komfort bringen.

Erst durch die konstruktive Auslegung des Luftfederungs­ systems in dieser Erfindung kann sowohl die lineare Feder­ kennlinie mit der degressiven und/oder der progressiven Federkennlinie überlagert werden. Durch die konstruktive Gestaltung des Luftfederbalges und der Anschlußteile können somit der Federwert, die Eigenfrequenz und die Seitenstabilität wie Torsionssteifigkeit und lateraler und angularer Verstellkräfte optimal auf die Anwendung des luftgefederten Sattels optimiert werden.

Bei der Erfindung besteht der Luftfederbalg aus Festig­ keitsträgern mit einer inneren und äußeren Deckschicht mit ausgezeichneten dynamischen Eigenschaften und ab­ soluter Luftdichtigkeit. Von entscheidender Bedeutung ist auch der Kreuzungswinkel der Gewebelagen am Außen­ durchmesser des Luftfederbalges. Die gekreuzten Gewebe­ lagen erzeugen zum einen eine stabile Außenwand, die gleichzeitig in der Lage ist, beim Abrollen auf dem Kolben eine kleinere Umfangslage durch Winkelveränderung anzu­ nehmen. Speziell beim Rollbalg hat sich gezeigt, daß durch Reduzierung der wirksamen Fläche und Erhöhung des Luftdruckes sich eine weichere Federung ergibt, gerade bei geringeren Belastungen.

Das erfundene Luftfederungssystem soll eine ganzheit­ liche Federung des Sattels gewährleisten, das unter anderem folgendes beinhaltet:

• - eine gesäßschonende weiche Federung des Sattels
• - eine Entlastung der Wirbelsäule durch optimale Ausleg­ ung und Einstellbarkeit des Federwertes, der Eigen­ frequenz und der Seitenstabilität auf den jeweiligen Fahrer
• - eine ideale Krafteinleitung in die Pedalen durch optimale Neigung und Federung des Körpergewichtes des Fahrers.

Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, den Federwert der jeweiligen Last anpassen zu können. Weiter soll das Luftfederungssystem kostengünstig unter Großserienbe­ dingungen herstellbar sein und als kompletter Bausatz ohne konstruktive Anpassungen bei den Zweirädern ein­ schließlich des vorhandenen Sattels nachrüstbar sein.

Diese Aufgaben löst die Erfindung durch das im wesent­ lichen aus 5 Grundelementen aufgebaute Luftfederungssys­ tem, prinziphaft in Fig. I dargestellt.

Stellvertretend für weitere Variationsmöglichkeiten sind in den Fig. 2 bis 7 weitere Ausführungsbeispiele skizziert.

Der Kolben (1) nimmt auf der Schulter den Luftfederbalg (2) auf, der mit dem Ring (4) druckdicht auf den Kolben (1) montiert ist. Der Kolben (1) kann aus metallischen Werkstoff oder z.Bsp. aus Kunststoff hergestellt sein und gibt durch die gezielte Auslegung der Abrollgeome­ trie, z.Bsp. gerade, konkav oder konvex, die ideale Seiten­ stabilität des luftgefederten Sattels. Am unteren Ende ist der Kolben (1) rohrförmig für die standardgemäße Befestigung im Rahmen des Zweirades ausgelegt. Der Boden des Rohres ist druckdicht geschlossen. Weiter nimmt der Kolben (1) das Luftfederventil (5) auf. Der Luftfederbalg (2), hier als Schlauchrollbalg ausge­ führt, besteht im wesentlichen aus gummierten Cord-Ge­ webelagen, die sich unter einem konstruktiv bestimmten Winkel kreuzen und aus einer Innenseele und aus einem Außenmantel aus Elastomerwerkstoff. Je nach Anforderungs­ profil sind auch andere Materialkombinationen wählbar, z.Bsp. Ersatz der Cord-Gewebelagen durch faserverstärk­ ten Elastomerwerkstoff oder generell Ersatz des Elast­ omers durch elastomermodifizierte Polyolefine oder Thermoplaste. Der Luftfederbalg ist absolut druckdicht. Der Luftfederbalg (2) hat zusammen mit der Abstimmung der Anlageflächen der Anschlußteile den alles entscheid­ enden Einfluß auf die Funktionsfähigkeit des Luftfeder­ ungssystems. So ergeben unterschiedliche Balgkonstruk­ tionen in Verbindung mit auch konstruktiv geändert er Anlageflächen jeweils einen anderen Federungskomfort.

In den Fig. 2 bis 7 sind weitere Ausführungsmöglich­ keiten stellvertretend in einem stark vereinfachten Querschnitt von Form und Befestigung aufgeführt.

Am oberen Ende des Kolben (1) kann z.Bsp. die Längen­ begrenzung integriert werden. Die obere Abschlußplatte (3), aus metallischen oder nichtmetallischen Werkstoff, ebenfalls mit druckdichten Boden, greift hierbei mit ent­ sprechend gestalteten Rastungen in die Längenbegrenzung ein und begrenzt den Federhub in axialer Richtung. Ein fortgesetztes Rohrstück, wahlweise aus starren oder flex­ iblen Material, an der Abschlußplatte (3) kann durch in­ einandergleiten in den Kolben (1) eine zusätzliche Sei­ tenstabilität des Federungssystems bewirken.

Je nach konstruktiver Gestaltung des Luftfederbalges (2) kann aber auch sowohl auf die zusätzliche Seitenstabili­ sierung als auch und/oder die Längenbegrenzung verzich­ tet werden.

Die druckdichte Einspannung des Luftfederbalges (2) auf der Abschlußplatte (3) erfolgt auch hier durch einen Ring (4). Die obere Verlängerung der Abschlußplatte (3) ist rohrförmig ausgeführt und dient zur Aufnahme des z.Bsp. handelsüblichen Sattels oder Sitzes. Durch Druck­ beaufschlagung des Luftfederbalgsystems über das Ventil (5), Druckhöhe jeweils individuell auf das Gewicht des jeweiligen Fahrers abgestimmt, erhält der Sattel seinen ganzheitlichen Federungskomfort.

Durch die Variation des Luftfederbalges, durch die Anzahl und die Auslegung der Gewebelagen, durch die verschieden­ en Möglichkeiten der Materialkombinationen des Luftfeder­ balges, durch die möglichen zusätzlichen Gleitführungen und/oder Längenbegrenzungen und durch die konstruktive Gestaltung der Kolbenflächen existieren ideale Möglich­ keiten der optimalen Gestaltung des Federungskomforts des Sattels. Hierdurch können direkt die Tragkraft, die Verformungsenergie, der Federwert, die Eigenfrequenz, die Torsions- und die Lateralsteifigkeit des Federungs­ systems beeinflußt werden.

Weiter ist es möglich, bei entsprechender Abstimmung des Luftfederbalges mit den Anschlußteilen ganz auf die Druck­ beaufschlagung zu verzichten, so daß auch ohne Druckluft­ unterstützung ausreichende Trag- und Verstellkräfte für das Federungssystem vorliegen.

In der Fig. 2 ist z.Bsp. die Auslegung des Luftfeder­ balges als kompensatorähnliches Bauteil (9) prinziphaft gezeigt. Durch Variation der Kompensatorgeometrie, An­ zahl und Winkel der Gewebelagen und des Materialaufbaues des Kompensatorbalges (9) sowie durch Variation der An­ lagegeometrie des Flansches (8) sowie des Innendruckes über das Ventil (11) kann auch hier der Federungskomfort optimal erreicht werden. Auch hier ist wahlweise eine Längenbegrenzung und/oder Axialführung integrierbar. Weiter ist in der Fig. 2 ein anderes Befestigungs- und Abdichtsystem des Balgfußes mittels einer Überwurf­ mutter (7) aufgezeigt.

Eine weitere Möglichkeit der Auslegung des Luftfeder­ ungssystems wird in Fig. 3 aufgezeigt. Hier ist der Luftfederbalg als Faltenbalg (17) ausgeführt. Wie schon in Fig. 1 und 2 beschrieben, bestehen auch hier die gleichen Optimierungsmöglichkeiten des Federungskomforts über die Konstruktion des Balges und der Anschlußteile. Gerade bei dieser Balgkonstruktion ist eine gute Quer­ steifigkeit zu erreichen. Nicht dargestellt ist die Möglichkeit, den Faltenbalg (17) auch mit 2 oder mehreren Falten auszuführen, die durch eingelegte Gürtelringe sta­ bilisiert werden. Die Zugfeder (18) zeigt prinziphaft eine weitere Möglichkeit der Längenbegrenzung. Der Flanschfuß des Balges (17) ist hier z.Bsp. in einem Metallteil gepreßt, verankert und soll stellvertretend eine weitere Befestigungsmöglichkeit des Luftfederbalges aufzeigen. Wahlweise kann der dauerhafte, druckdichte Sitz noch durch Stahldraht- oder Gummi-/Kunststoffkerne verstärkt werden.

In Fig. 4 ist prinziphaft eine weitere Möglichkeit dargestellt, die Quersteifigkeit des Federungssystems zu verbessern. Dies wird durch eine Führung und Begrenzung des Luftfederbalges durch eine äußere Stützglocke (28) erreicht.

In Fig. 5 ist eine andere mögliche Längenbegrenzung des Federungssystems über sogenannte Zugstangen (38) aufge­ führt. Die Zugstangen (38) können sowohl aus starren als auch aus elastischen, hochreißfesten Material konstruiert sein.

Stellvertretend für andere Möglichkeiten der Erhöhung der Quersteifigkeit ist in Fig. 6 als weitere Variante eine sogenannte Schub-Hülsenfeder (42) integriert. Das Federelement (42), als Schwingmetallelement konstruiert, kann durch konstruktive Hohlräume und durch die Härte des Elastomers ideal auf die Anforderungen abgestimmt werden. Hier kann bei der konstruktiven Auslegung die Erfahrung berücksichtigt werden, daß bei Schub- und Ver­ drehbeanspruchung eine erheblich höhere Elastizität als bei Zug- und Druckbeanspruchung vorliegt. Über das Ele­ ment (41) erfolgt eine feste Verbindung des Federelemen­ tes (42) mit dem Zylinder (40).

Fig. 7a und 7b zeigen eine weitere Variante der möglich­ en Balggestaltung des Luftfederbalges (48/49). Auch hier kann durch Änderung der Stützringgeometrien der Dichtflansche (46/47) die Federungseigenschaft wesent­ lich beeinflußt werden. Gerade bei dieser einfach her­ zustellenden Balggeometrie bietet sich eine sehr kosten­ günstige Ausführungsmöglichkeit, auch in Verbindung mit der dargestellten Befestigungsart, an. Auch hier kann wie auch grundsätzlich bei allen anderen Luftfederbalg­ typen das Federungssystem durch Längenbegrenzer und ax­ iale Führung unterstützt werden. Die druckdichte Befesti­ gung des Balges (48/49) kann z.Bsp. mit sogenannten Schlauchschellen (46/47) ohne spezielle Montagevorricht­ ungen einfachst erfolgen.

Claims (18)

1. Ganzheitliches Luftfederungssystem für Zweiradsättel, bestehend aus Luftfederbalg, Kolben, Abschlußplatte, Befestigungselemente und Luftventil, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Luftfederbalg als Schlauchrollbalg mit einer äußeren Stützglocke ausgeführt ist und daß durch die Grundgeometrie des Luftfederbalges, durch Anzahl und Winkel der Gewebelagen und durch konstruktive Auslegung der Kolbengleitflächen und der Abschlußplatte eine Sattelfederung mit ausreich­ ender Axial-, Torsions-, Angular- und Lateralsteifig­ keit erreicht wird, wobei der Federungskomfort in­ dividuell durch den veränderbaren Luftinnendruck des Luftfederbalges über ein Ventil in den Anschluß­ teilen regelbar ist.

2. Ganzheitliches Luftfederungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Einbau­ höhe einschließlich des zulässigen Federweges durch eine integrierte Längenbegrenzung fixiert wird.

3. Ganzheitliches Luftfederungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß je nach Luftfeder­ balgkonstruktion zusätzlich eine axiale Führung, wahlweise aus starrem oder flexiblem Material, in das Luftfederungssystem integriert ist.

4. Ganzheitliches Luftfederungssystem nach Anspruch oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß je nach Luft­ federbalgkonstruktion sich unter Betriebsdruck des Luftfederbalges eine gewünschte maximale Bau­ höhe durch erreichen des Gleichgewichtswinkels der Festigkeitsträger einstellt.

5. Ganzheitliches Luftfederungssystem nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Luftfederbalg als Schlauchrollbalg ohne äußere Stützglocke ausgeführt ist.

6. Ganzheitliches Luftfederungssystem nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Luftfederbalg als Faltenbalg ausgeführt ist, wahlweise mit einer oder mit mehreren Falten.

7. Ganzheitliches Luftfederungssystem nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Luftfederbalg als Kompensatorbalg aus­ geführt ist.

8. Ganzheitliches Luftfederungssystem nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Luftfederbalg mit den Anschlußteilen so steif konstruiert ist, daß auch ohne Luftdruck im Luftfederbalg eine ausreichende Trag- und Verstell­ kraft bei gutem Federungskomfort gegeben ist.

9. Ganzheitliches Luftfederungssystem nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Längenbegrenzer innen im Luftfederbalg integriert ist.

10. Ganzheitliches Luftfederungssystem nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Längenbegrenzer außen vom Luftfeder­ balg angebracht ist.

11. Ganzheitliches Luftfederungssystem nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Längenbegrenzer wahlweise aus starren oder elastischen Material besteht.

12. Ganzheitliches Luftfederungssystem nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die laterale Steifigkeit des Federungssys­ tems durch die Gestaltung der Anlageflächen des Kolbens und der Abschlußplatte, mit der der Luft­ federbalg in Berührung kommt, erhöht wird.

13. Ganzheitliches Luftfederungssystem nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß das Luftfederungssystem mit einer Gummi- Metall-Feder, z.Bsp. einer Schub-Hülsen-Feder, kombi­ niert wird.

14. Ganzheitliches Luftfederungssystem nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Luftfederbalg wahlweise durch Schlauch­ schellen, aufgepreßten Ringen, durch eine Wulst- oder Flanschkonstruktion oder deren Kombinationen mitein­ ander verankert ist.

15. Ganzheitliches Luftfederungssystem nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß das Grundmaterial, aus dem der Luftfederbalg besteht, wahlweise ein Elastomer, Thermoplast oder elastomermodifiziertes Polyolefin oder deren Kombi­ nation miteinander ist.

16. Ganzheitliches Luftfederungssystem nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Festigkeitsträger im Luftfederbalg wahlweise als Gewebe oder Fasern aus Kunststoff, aus Stahlcord, aus Naturstoffen, aus Glas- oder Kohlestof­ fen oder deren Kombinationen miteinander bestehen.

17. Ganzheitliches Luftfederungssystem nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Luftfederbalg ohne Festigkeitsträger ausgeführt ist.

18. Ganzheitliches Luftfederungssystem nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß das Material des Kolbens, der Abschlußplatte und der Befestigungsteile wahlweise aus metallischen oder nichtmetallischen Werkstoffen oder deren Kom­ bination miteinander besteht.