DE19855229A1 - Federung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Federung insbesondere für mit muskelkraftbetriebene Fahrzeuge, wie Fahrräder oder der­ gleichen.

Eine Besonderheit von muskelkraftbetriebenen Fahrzeugen besteht in dem Verhältnis der Fahrzeugmasse zur Nutzlast. Typischerweise liegt das Gewicht des Fahrzeuges bei ca. 15 kg, während die Nutzlast (der Fahrer) zwischen 50 kg- 150 kg (ggf. mit Gepäck) liegt.

Die bisher bei muskelkraftbetriebenen Fahrzeugen einge­ setzte Federungssysteme sind durchweg dadurch gekenn­ zeichnet, daß entweder Federelemente aus elastisch ver­ formbaren Kunststoff eingesetzt werden, die durch die konstruktiven Beschränkungen, wie sie beispielsweise für Fahrräder typisch sind, eher kurze Federwege mit einer hohen Federrate realisieren und auf eigens vorgesehene Dämpfer verzichten, oder daß Federbeine als Kombination von Feder (meist als Schraubenfeder aus Stahl) und Dämp­ fer (meist als hydraulischer Kolben-Stoßdämpfer) einge­ setzt werden. Dabei ist typischerweise an dem Dämpfer ei­ ne Kolbenstangendichtung erforderlich, deren Haftreibung beim Einsetzen einer Federungsbewegung zunächst überwun­ den werden muß. Im Zusammenwirken mit Lagerungen von ki­ nematischen Elementen der Federung, wie Lenkern oder Schwingen (die oft dem Stand der allgemeinen Fahrzeug­ technik nicht entsprechen) ergibt sich daraus eine Wir­ kung, die die Federung erst beim Auftrieb von erheblichen Unebenheiten der Fahrbahn ansprechen läßt.

Das gleiche Problem ergibt sich auch bei Konstruktionen, die Druckluft als Medium zur Federung von Fahrrädern ver­ wenden und bei denen ein Pneumatikzylinder in eine Tele­ skopgabel oder in ein Federbein integriert ist. Hier muß zur Abdichtung des Pneumatikzylinders ebenfalls eine dy­ namische Dichtung verwandt werden, die den gleichen Haf­ treibungseffekt, wie bei der obengenannten Konstruktion aufweist und damit erst bei erheblichen Unebenheit an­ spricht.

Weiter ist erwünscht, neben der Federwirkung auch eine Niveauregulierung bzw. eine Einstellung der Federrate vorzunehmen, die insbesondere für Fahrzeuge, die regelmä­ ßig von verschiedenen Personen genutzt werden, erhebliche Handhabungsvorteile bietet.

Aus der Kraftfahrzeugtechnik sind solche Einrichtungen bereits als Niveauregulierung bekannt. Dabei wird motor­ betriebenen Fahrzeugen in einer einfachen Variante die Niveauregulierung in die hydraulische Dämpfung inte­ griert. Eine hydraulische Pumpe ist dabei in dem Dämpfer integriert und hebt bzw. senkt das Fahrzeugniveau bis zum gewünschten (z. B. durch eine Niveaubohrung voreingestell­ ten) Niveau.

Aufgabe der Erfindung ist es bei einem muskelbetriebenen Fahrzeug eine Federung zu schaffen, die ohne Losbrech­ kraft zur Einleitung einer Federbewegung anspricht und die in einer vorteilhaften Ausführungsform erlaubt, eine bestimmte statische Einfederung und eine bestimmte Feder­ rate vorzuwählen und auch zu verändern.

Erfindungsgemäß wird dies durch eine Federung mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung wie­ der, wobei für jedes Rad separat oder auch durch zwei parallele Balgen pro Rad insbesondere eine Niveauregulie­ rung und eine selbsttätige Einstellung einer bestimmten statischen Einfederung und einer bestimmten Federrate möglich ist, die konstant oder progressiv oder degressiv (je nach Gesamtauslegung der Federung) sein kann, wobei erfindungsgemäß die Bewegung der Federung als Quelle der Antriebsenergie für die Veränderung von statischer Einfe­ derung und Federrate herangezogen wird.

Im Gegensatz zu bisherigen Federungen, in denen eine Pum­ pe zur Erhöhung des Druckes in einem Luftfederbalg Ver­ wendung findet, wird erfindungsgemäß ein vom Einfederweg abhängig betätigtes Ventil vorgesehen, durch das der Druck aus dem Federbalg abgelassen werden kann, solange das Niveau höher, d. h. die während der Fahrt gegebene durchschnittliche statische Einfederung geringer ist, als es dem erwünschten Wert entspricht. Dieses Ventil wird bei voller Ausfederung geschlossen, so daß bei unbelaste­ tem Fahrzeug die Niveauregulierung außer Betrieb bleibt.

Bei Aufnahme der Fahrt wird es nach einem vorgestimmten Federweg geöffnet und läßt in der Art einer Drossel lang­ sam die als Federmedium dienende Luft aus dem Luftfeder­ balg. Dieser Vorgang wird sich teilweise mit dem Arbeiten der Federung überlagern.

Bei Erreichen der vorbestimmten statischen Einfederung wird das Ventil geschlossen. Durch Öffnen eines auf der Saugseite der erfindungsgemäßen Verdichtereinrichtung an­ gebrachten Ventile wird an diesem Punkt mit der Erhöhung des Luftdrucks im Federbalg durch eine weitere Einfede­ rung begonnen. Bei geschlossenem Ventil wird der Verdich­ ter nur vernachlässigbare Arbeitsbeträge aus den Federbe­ wegungen entnehmen. Auf diese Weise wird bewirkt, daß die Bewegung der Federung, unter der durch die Zuladung gege­ benen Belastung um eine vordefinierte Stellung, die sta­ tische Einfederung herum, stattfinden. So wird die ge­ wünschte statische Einfederung mit der Einstellung einer auf die Belastung abgestimmten (durch die Auslegung der Luftfeder insbesondere deren Volumen) Federrate verbun­ den.

In einer ersten Ausführung der Erfindung soll der Ver­ dichter als Membranverdichter, ohne gleitende Dichtungen ausgeführt werden. Diese kann z. B. innerhalb des Luftfe­ derbalgs angeordnet werden und mechanisch an den beiden Befestigungspunkten bzw. Flächen befestigt sein. Durch die Federbewegung ergibt sich an dem Verdichter dann ein Hub, der zur Zuführung der mechanischen Arbeiten genutzt wird. Die Ventile können durch mit beweglichen Elementen der Federung bzw. Radführung, wie beispielsweise Schwin­ gen oder Lenkern verbundene Elemente betätigt werden. Diese Elemente können zur Einstellung der gewünschten statischen Einfederung verstellbar angebracht werden.

In einer weiteren Realisation der Erfindung kann der Ver­ dichter ebenso wie mindestens ein Ventil von einem dazu geeigneten Element der Federung, wie insbesondere der bei Federbewegungen sich drehenden Lagerwelle einer Schwinge oder eines Lenkers betätigt werden. Dabei kann der An­ trieb des Verdichters durch einen Freilauf erfolgen, so daß dieser von jeder Einfederbewegung angetrieben wird. Dieser Freilauf kann z. B. durch eine Kurvenscheibe, eine ähnliche Vorrichtung, die unabhängig von ihrer sonstigen Ausführung sowohl radial wie axial zu der Drehachse orientiert sein kann, in seiner Wirkung auf den Bereich "oberhalb" der statischen Einfederung (also für zu große statische Einfederungen) beschränkt werden.

Zwischen der mit der Federbewegung drehenden Welle und dem Antrieb des Verdichters kann ein Getriebe so einge­ schaltet werden, daß die Arbeitsentnahme aus der Federbe­ wegung vorteilhaft auf das Arbeitsprinzip des Verdichters abgestimmt wird. Auf diese Weise wird erfindungsgemäß er­ reicht, daß der Verdichter nur in dem erwünschten Bereich arbeitet. Die Lage der statischen Einfederung kann auf diese Weise auch verstellbar gestaltet werden.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung kann entspre­ chend des Standes der Technik bei motorisierten Fahrzeu­ gen ein hydraulischer Dämpfer vorgesehen werden, der in der Weise der an sich bekannten sogenannten selbstpumpen­ den Federelemente mit der Luftfeder zusammenarbeitet. Da­ bei ist eine Hydraulikpumpe in den Dämpfer integriert, die z. B. durch eine Niveaubohrung die statische Einfede­ rungen ihrer Lage bestimmt.

In einer weiteren Ausprägung der Erfindung kann eine Hy­ draulikpumpe oder ein Verdichter, die zur Einstellung des Niveaus erforderliche Arbeit dem Antrieb des Fahrzeuges entnehmen. Dazu wird eine von mindestens einem Teil der Federung bzw. Radführung in Abhängigkeit von dem gewähl­ ten Niveau betätigte Kupplung benötigt. Der Nachteil der dabei zu bestehen scheint, nämlich, daß bei muskelkraft­ betriebenen Fahrzeugen der Fahrer die zur Niveauregulie­ rung erforderliche Arbeit leisten muß, ist weniger schwerwiegend, als meist angenommen, da diese Arbeiten nur während kurzer Phasen benötigt wird. Dadurch wird er­ findungsgemäß erreicht, daß die Anpassung an das ge­ wünschte Niveau, unabhängig von Federbewegungen, also von Fahrbahnunebenheiten, schnell durchgeführt wird.

Insbesondere wird vorgeschlagen, eine Federung mit einen Federbalg, der zwischen zwei mit dem Fahrzeugrahmen in Verbindung stehenden Endstücken zwischengesetzt ist, zu verwenden, bei dem eine Membranpumpe mit Rückschlagventi­ len versehen ist, die jeweils in Druck- und Ansaugleitung der Pumpe in einem Endstücke zur Erhöhung des Innen­ druckes des in dem Federbalg befindlichen Mediums vorge­ sehen sind.

Eine Kolbenstange ist dabei im Federbalg federnd aufge­ hängt und über ein Klemmstück haftreibend an einem der Endstücke angesetzt und wirkt auf eine elastische Membran der Membranpumpe, die sich im Gegenendstück in einer ent­ sprechend vorgesehenen Vertiefung angeordnet befindet, bei Verlagerung der Endstücke zueinander. Die Kolbenstan­ ge kann dabei durch eine Spiralfeder an das obere End­ stück "gehängt" sein und in diesem Fall nach unten auf eine horizontal angeordnete Membran wirken. Am Ende der Kolbenstange ist dann ein aufgeweiteter Kolben zugverbun­ den mit der Membran und bewirkt eine Ansaugbewegung der Membranpumpe bei einer Aufwärtsbewegung.

Die Kolbenstange ist also mit Spiel durch das Klemmstück geführt, das vertikal verschwenkbar in einer oberen End­ stellung die Kolbenstange bis zum Erreichen einer Maxi­ malkraft einklemmt, so daß durch die über die Kolbenstan­ ge vermittelte Relativbewegung der Endstücke aufeinander zu eine Pumpbewegung der Membran bewirkt ist.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnung. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Federaufbau mit ei­ nem mittig angeordneten luftgefüllten Balg mit einem in der Balgbefestigung vorgesehenen Membranverdichter zum Befüllen und Einstellen von Federung und Federrate.

In der einzigen Figur ist mit Bezugszeichen 10 ein Schlauchrollbalg dargestellt, der zwischen einem unteren Endstück 12 und einer oberen Endplatte 13 mit Schellen befestigt ist, wobei diese Endstücke wiederum an den ent­ sprechenden Fahrwerksteilen befestigt sind und die Feder­ kräfte aufnehmen bzw. einleiten.

In der Figur ist ein Verdichter in das untere Endstück 12 integriert. Selbstverständlich kann er auch im oberen Endstück integriert sein. Ein Ablaßventil 14 ist mit ei­ ner einstellbaren Drossel 15 (die die Geschwindigkeit der Niveauabsenkung bestimmt) im oberen Endstück 13 angeord­ net.

Der Verdichter im unteren Endstück weist eine Verdichter­ membran 16 auf, die in einer Vertiefung 27 der unteren Endplatte 12 mit einer dem Verformungsverhalten der Mem­ bran entsprechenden Kontur ausgebildet ist.

Die elastische Membran 16 wird über eine Druckstange 8, die über eine Spiralfeder 21 am Endstück 13 gelagert ist, und einem entsprechend ausgeformten Kolben 9 von der obe­ ren Endstück 13 bewegt. Dies geschieht durch ein Schwen­ ken des Klemmstück 24, das mit einem Langloch 11 versehen auf einem Stück 22 gelagert ist, der in entsprechenden Nasen 26 der oberen Endplatte 13 befestigt ist. Das Klemmstück besitzt einen etwa rechteckigen Durchbruch 28, durch den die Kolbenstange 8 des Verdichters geführt ist.

Die Kanten der schmalen Seiten dieses eckigen Durchbru­ ches 28 sind so ausgebildet, daß sie in der entsprechen­ den Winkelstellung des Klemmstücks durch Haftreibung eine Klemmwirkung auf die Kolbenstange 8 ausüben. Durch die Schwerkraft (in annähernd senkrechter wie dargestellter Einbaulage) oder durch eine entsprechende Feder (Schenkelfeder) bleiben diese Kanten mit der Kolbenstange in Berührung.

Bewegt sich nun die obere Endplatte 13 auf das untere Endstück 12 zu (ein Einfedervorgang), so wird die Haf­ treibung zwischen der Stange 8 und dem Klemmstück 24 ein Moment aufgebaut, das das das Klemmstück 24 in dem Lang­ loch 11 gelagert ist, bewirkt, daß dieses an das entspre­ chende, von dem rechteckigen Durchbruch 28 abgewandte En­ de des Langloches 11 gezogen wird. Zwischen dem Klemm­ stück 24 und der Kolbenstange 8 wird dadurch die Betäti­ gungskraft des Verdichters übertragen.

Ist der Verdichter in seiner Endlage angekommen oder ist er durch das verschlossene Ansaugventil 25 blockiert, so übersteigt die Kraft im übertragbaren Wert und das Klemm­ stück 24 gleitet auf der Kolbenstange 8. Beim Rückhub, also wenn die obere Endplatte 13 sich von dem unteren Endstück 12 wegbewegt (einem Ausfedervorgang) wird das Klemmstück 24 in seinem Langloch 11 bewegt und die Klem­ mung wird aufgehoben, die Kolbenstange 8 kann sich dann weitgehend frei durch den rechteckigen Durchbruch 28 des Klemmstückes 24 bewegen. Der Kolben 9 und die elastische Membran 16 werden durch die Rückstell-Spiralfeder 21 nach oben bewegt. Der Verdichter saugt nun an.

Der Verdichter besitzt Rückschlagventile 17, 18, die als federbelastete Kugelventile dargestellt sind sowohl für den Ansaug- wie für den Druckhub. Auf der Saugseite ist dem Saugventil ein Kegelventil 25 vorgeschaltet, mit dem der Verdichter gesteuert wird. Ist dieses Ventil ge­ schlossen, kann der Verdichter nicht ansaugen. Nach dem letzten Arbeitshub (einem Auf- und Abgehen des Kolbens 9), bei dem das Druckventil 18 geöffnet hat, weil der Druck im Verdichter den Druck im Federbalg überschritten hat, wird der Verdichter in seiner Endlage durch den Druck im Federbalg festgehalten und die durch das Klemm­ stück 24 übertragbare Kraft reicht nun nicht aus, um ihn noch zu bewegen.

Diese Verdichter können auch außerhalb der Federbälge an­ geordnet werden und durch Hebelwirkung oder Freiläufe be­ tätigt werden. Weiter kann zur Erreichung eines Anfangs­ überdruckes vorgesehen werden, ein Befüllventil für im Alltag leicht verfügbare Druckluft z. B. die für Kraft­ fahrzeugreifen vorgesehenen Befüllorgane an Tankstellen zusätzlich vorzusehen, um nicht mit Hilfe des Verdichters völlig entleerten Balg "aufzupumpen".

In einer manuellen betreibbaren Variante sind Betäti­ gungsorgane vorgesehen, mit denen das Ablassen von Druck­ luft - zur Niveauabsenkung - und/oder die Verbindung des Verdichterkolbens mit der Federung - zur Vorbereitung des Pumpens durch manuelle Federbetätigung (z. B. indem man sich im Stillstand auf ein Fahrrad setzt und einige Male den Sattel oder das betreffende Rad einzeln - es gewollt belastend - absenkt) bewirkt werden kann.

Weiter können Sensoren vorgesehen werden, die mechanisch z. B. als eine Kurvenscheibe mit Zug-Druckstange oder elektrisch als induktive Wegaufnehmer und Näherungssenso­ ren vorgesehene Niveausensoren vorgesehen werden, die ein zu hohes Niveau des Fahrzeuges erfassen, um dann eine Ventilbetätigung z. B. durch eine Tauchspule des Ablaß­ ventils zu bewirken. Ebenso kann bei einem zu niedrigen Niveau eine Ventilbetätigung des Ansaugventils des Ver­ dichters erfolgen, die dieses öffnet, so daß der Verdich­ ter dann bei jeder Federbewegung Druck im Federbalg er­ höht, bis das gewünschte Fahrzeugniveau von einem dritten Sensor, der gegebenenfalls mehrfach vorhanden ist, erfaßt wird.

Vorteilhaft ist ferner, den Verdichter nicht permanent oder durch aufwendige automatische Mechanismen mit den die Federbewegungen ausführenden Teilen zu verbinden. Es kann bspw. ein gleitender Kolben mit Dichtringen vorgese­ hen werden, und die Lage der Federung für die statische Einfederung kann über spezielle Markierungen erkannt wer­ den.

Claims (7)

1. Federung, insbesondere für muskelkraftbetriebene Fahrzeuge, gekennzeichnet durch

• - wenigstens einen Federbalg (10), der zwischen zwei mit dem Fahrzeugrahmen in Verbindung stehenden End­ stücken (12, 13) zwischengesetzt ist, und
• - eine Membranpumpe, die mit Rückschlagventilen (17, 18) versehen ist, die jeweils in Druck- und Ansaug­ leitung der Pumpe in einem Endstücke (12; 13) zur Erhöhung des Innendruckes des in dem Federbalg (10) befindlichen Mediums vorgesehen sind.

2. Federung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Fahrrad ein luftgefüllter Federbalg (10) in einer Schwinge einer Radführung vorgesehen ist.

3. Federung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kolbenstange (8), die federnd aufgehängt und über ein Klemmstück (24) haftreibend an einem der Endstücke (13) angesetzt ist und auf eine elastische Membran, die sich im Gegenendstück (12) in einer entsprechend vorgesehenen Vertiefung angeordnet ist, bewegend bei Verlagerung der Endstücke (12, 13) zueinander wirkt.

4. Federung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (8), durch eine Spiralfeder (21) an das Endstück (13) gezogen und mit der Membran zug­ verbunden eine Ansaugbewegung der Membranpumpe bei ei­ ner Aufwärtsbewegung des Endstücks bewirkt.

5. Federung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kolbenstange (8), mit Spiel durch ein Klemmstück geführt ist, das vertikal verschwenkbar in einer oberen Endstellung die Kolbenstange bis zum Er­ reichen einer Maximalkraft einklemmt, so daß durch die über die Kolbenstange (8) vermittelte Relativbewegung der Endstücke aufeinander zu eine Pumpbewegung der Mem­ bran bewirkt ist.

6. Federung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Klemmstück (24) mit ei­ nem Langloch versehen ist, und sich in einem rechtecki­ gen Durchbruch (28) der Kolbenstange (8) bewegt.

7. Federung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kurvenscheibe am Freilauf ei­ nes Fahrrades, die mit einem Nocken zusammenwirkt, so daß die Kolbenstange (8) bewegt wird.