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Die
Erfindung betrifft ein Federsystem für Fahrzeuge, vorzugsweise für Fahrräder oder
Motorräder,
das aus Luft- oder Gasdruck-Federelemente, die als Rad-Speichen
direkt in das Laufrad eingebaut sind, besteht.
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Es
gibt zahlreiche Federsysteme, die für Fahrzeuge konzipiert sind.
Fast alle haben eines gemeinsam: Die abrupte Bewegungen der Radachse werden
durch Federelemente außerhalb
des Laufrads aufgefangen, abgesehen von der Federung die zusätzlich durch
Luftfüllung
der Reifen erzeugt wird. Die Federsysteme, die z.B. für Fahrrad
konzipiert sind, bestehen aus Federelemente, die in den Fahrrad-Rahmen
und in der Fahrrad-Gabel eingebaut sind. Der Rahmen ist in zwei
Teilen getrennt, die durch ein Gelenk mit einander gekoppelt sind.
Das Federelement ist in der Mitte eingebaut und federt die „Knick-Bewegung" der Rahmen. Trotz
gute Federung und gute Federelemente (teilweise aus Gasdruck-Federn
bestehend) ermöglicht
diese Feder-Technik keine perfekte Federung.
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Federkraft-Elemente
auf den Speichen eines Rads anzubringen, ist schon längst bekannt.
Es gibt sogar Fahrzeuge, die Speichen-Reifen aufweisen, die blattfederartig
gebaut sind und die biegsam sind, was bei Einwirkung von Aussenkräften eine
Federung erzeugen. Diese Federung ist relativ gut, hat aber mehrere
Nebeneffekte:
- – die Blattfeder-Speichen erzeugen
sehr laute Geräusche,
die den Fahrkomfort gewaltig beeinträchtigen,
- – die
Blattfeder-Speichen sind nicht gut ansprechbar bei Unebenheiten.
Sie erzeugen anfangs sehr starke Federkräfte, und werden immer weicher,
je weiter die Rad-Achse gegenüber
den Felgen geschwenkt wird. Dadurch ist die Federkraft unproportional,
was auch die Ansprechbarkeit negativ beeinflusst.
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Der
in den Schutzansprüchen
1 bis 19 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Federsystem
für Fahrzeuge,
vorzugsweise für
Fahrräder
zu schaffen, das in der Lage ist, eine weitgehend verbesserte Federung
zu ermöglichen.
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Dieses
Problem wird mit den in den Schutzansprüchen 1 bis 19 aufgeführten Merkmalen
gelöst.
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Vorteile
der Erfindung sind:
- – direkte und schnelle Ansprechbarkeit,
- – keine
Belastung für
die Radachse oder Rahmen-Teile,
- – Federung
gegen jeden Vektor-Kraft-Richtung,
- – Fahrbahnunebenheiten
werden sehr gut geglättet.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand der 1 bis 10 erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Fahrzeug mit Rad-Luftfeder-Speichen,
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2 ein
Fahrrad, das mit dem Federsystem ausgestattet ist,
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3 den
Aufbau und die Steuerung des Federsystems, wobei Elektroventile
eingebaut sind,
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4 die
Darstellung der Stosskraft,
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5 eine
Variante mit Blasebalgs,
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6 ein
Federsystem mit Stahlfeder,
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7 ein
neues Felgen-Brems-System eines Fahrrads,
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8 die
Trichter-Elemente, an denen die Federelemente befestigt sind,
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9 eine
Kombination mit Blattfeder-Elemente,
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10 eine
detaillierte Darstellung der Stosskraftwirkung.
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Wenn
man den Ablauf des Feder-Vorgangs mit Hilfe von Aufnahmen einer
Hochgeschwindigkeits-Videokamera genau beobachtet, sieht man warum
alle herkömmliche
Fahrrad-Feder-Systeme versagen, eine perfekte Federung zu liefern
(4).
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Nehmen
wird zuerst das vordere Laufrad 1 unter die Lupe. Beim
Fahren auf einem Hindernis 2, z.B. einem Ast, das 5 cm
dick ist, wird zuerst der Gummi-Reifen 3 die Hebung von
5 cm abzuglätten versuchen.
Bei einem MTB ist der Gummibereich der Reifen ca. 4 cm dick (es
gibt auch dickere oder dünnere
Reifen, die wir hier ausser Acht lassen werden). Der Luftdruck in
dem Reifen (3–4
Bar) je nach Fahr-Geschwindigkeit erlaubt eine Senkung von bis zu
1,5 cm. Das bedeutet, dass der Ast ca. 1,5 cm näher an den Felgen 4 ran
kommt. Das ist der „Reifen-Federweg". Das ist die einzige
perfekt funktionierende Federsystem in einem Fahrrad, weil egal
von welcher Richtung die Hindernisse kommen, werden sie gefedert.
Leider ist hier der Federweg viel zu kurz. Die Radachse 5 muss
aber noch den Rest von 3,5 cm „wegschlucken". Die Vektor-Kraft-Richtung 6 der Stosskraft
wirkt zuerst etwas schräg
nach oben gegen die Fahrtrichtung auf das Rad. Bei einem herkömmlichen
Fahrrad-Federsystem ist diese Stosskraft nicht wegzuglätten, weil
das Rad solche Entgegenbewegung nicht erzeugen kann. Trotz der Federung
durch die Luftfüllung
der Reifen, ist die Stosskraft ziemlich heftig. Die Federung eines
herkömmlichen
Federsystems fängt
erst dann effektiv zu wirken, wenn das Hindernis fast direkt unter
dem Reifen sich befindet. Das Federsystem erlaubt es jetzt den Reifen
sich hochzuheben und die Stosskraft zu mindern. Insbesondere das
vordere Fahrradfeder-System kann solche Stosskräfte nicht gut abfangen. Die Federgabel 7 des
Vorderrads nach vorn unten schräg eingebaut,
wobei der Neigungswinkel von der Einfallslot ca. 20 bis 30° beträgt. Der
Winkel der Federgabel gegenüber
den Fahrradrahmen 8 bleibt stets unverändert, egal ob das Fahrrad
ein größeres oder kleineres
Hindernis überwinden
muss. Die nachgiebige Bewegung des Vorderrads bei einem Stoss auf Strassen-Unebenheiten
wird unter diesen Winkel durchgeführt, weil dir Federgabel nur
in der Richtung sich gegenüber
den Rahmen bewegen kann. Alle anderen Stosskräfte, die auf andere Richtungen
wirken werden auf dem Fahrradrahmen restlos übertragen und somit einem Anstreben
für eine
perfekte Federung zunichte machen (4a).
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Die
Erfindung dagegen ist in der Lage jede Stossrichtung in die geometrische
Laufrad-Ebene 9 wegzuglätten.
Der Reifen ist gegen jede Stossrichtung in diese Ebene ansprechbar
und kann gegenüber
der Achse 5 innerhalb eines geometrischen Innenkreises 10 sich
bewegen. In der 4b, ist die Stosskraft-Wirkung
bei der Erfindung dargestellt worden. Die Bewegung des Rads in anderen
Ebenen würde
eine Instabilität
bedeuten. Daher wird das durch Gelenke 11 an Feder-Element-Befestigungs-Punkten 12 geregelt.
Jeder Befestigungs-Punkt erlaubt nur eine Schwenkung in die Radebene
des Federelements. Das Gelenk besteht z.B. aus mindestens einer Öse 13 oder
einem Rohr 14 und einem flachen Verbindungsteil/Verbindungsflächen (Ohren) 15 des
Federelements, die mit einem Bolzen 16 mit einender gekoppelt
sind. Am besten sind es zwei Verbindungsflächen vorhanden, wobei in der
Mitte sich die Öse
oder das Rohr befindet. Dieses Gelenksystem ist sehr lange bekannt
und wird überall
eingesetzt, wo eine Bewegung in einer geometrischen Ebene erlaubt
soll. Ähnlich
ist auch das Rahmen-Gelenk bei der herkömmlichen Rahmenfederung in
einem Fahrrad eingebaut. Es erlaubt nur eine senkrechte Schwenkbewegung
des Hinterrad-Verbindungsteils.
Eine Schwenkung in anderen Richtungen (z.B. waagerecht) ist durch
diese Gelenk-System nicht möglich.
Um das Gelenk zu stabilisieren, können zusätzlich bogenförmige Blattfeder eingebaut
werden.
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Die 1 zeigt
das Federsystem, das in einem Fahrzeug 17 eingebaut worden
ist. Hier sind viele Luft-Feder-Element-Speichen 13 pro
Rad 1 eingebaut, die eine Federkraft erzeugen. Die Federkraft steigt
mit der Schwenkung der Radachse 5 gegenüber der Felge 4. Das
führt zu
eine perfekte Achsen-Lage-Stabilisierung und eine bestens ansprechbaren
Federkraft. Durch Steuerung von eingebauten Elektroventilen 19 wird
die Federkraft an jeder Straßen-Belag
angepasst. Die Anpassung kann durch eine elektronische Steuerung 20 erreicht
werden, die die Stosskräfte
und die Fahrzeuggeschwindigkeit berücksichtigt. Die Elektronische
Steuerung kann die Elektroventile so steuern, dass die Pressluft
von einer Feder-Element-Druck-Kammer 21 auf
das andere bei Überdruck
fließen
kann. Die Luftfederelemente sind hier aus einem Hohl-Zylinder 22 gebaut
und einem Kolben 23, der den Zylinder in zwei Luftdruck-Kammer 21 aufteilt,
gebaut. Durch die Kolbenbewegung wird der Luftdruck (oder Gasdruck)
in beiden Kammern geändert.
An einem der Kammer wird ein Überdruck erzeugt,
während
in der anderen Kammer ein Unterdruck herrschen wird. Ein Elektroventil kann
direkt in den Kolben eingebaut werden, oder er kann ausserhalb des
Zylinders mit je einem Leitungsrohr 24 (oder Druckschlauch)
mit den Kammern verbunden werden. Das Elektroventil kann Piezo-Elemente
aufweisen, die sehr schnell und zuverlässig auf elektrische Signale
ansprechbar sind. Wenn ein hoher druck auf einem Kammer herrscht,
kann eine Steuerung den Druck durch Öffnen des Elektroventils und
Luftdruck-Ableiten auf den anderen Kammer, regeln. Dadurch wird
auch die Federkraft geregelt.
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Ein ähnliches
System, jedoch viel einfacher konzipiert, kann auch in einem Fahrrad 25 eingebaut werden
(2). Hier ist die Speichen-Anzahl wegen des kleineren
Gewichts viel geringer als bei einem motorisierten Fahrzeug. Es
reichen in der Regel lediglich drei Luftfeder-Element-Speichen 18 pro
Rad um ein optimales Feder-System zu schaffen. Die Speichen sollen
unter einem 120° Winkel
eingebaut werden, um eine Unwucht zu vermeiden.
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In
der 3 ist die Steuerung der Elektroventile dargestellt
worden. Die Elektroventile 19 sind in der Lage durch eine
Steuerung 20 die Luft oder den Gas aus den Federelementen
abzulassen, bzw. den Druck zu regeln. Das ist sehr wichtig für eine individuelle
Federkraft-Einstellung. Jedes Feder-Element kann mit einem Luftventil
ausgestattet werden, dass das Aufpumpen durch eine Fahrrad-Pumpe
erlaubt. Eine Druckwerte-Anzeige 26 kann eingebaut werden,
um eine feine Justierung der Federkraft zu erreichen. Die Luftdruck-Federelemente
können auch
während
der Fahr angepasst werden, durch eine Funksteuerung der Elektroventile.
Die Ventile lassen den Luftüberdruck
ab und auf diese Weise regeln sie die Federkraft. Ein Funkempfänger 27,
der in die Felge 4 eingebaut ist oder der einfach an den
Feder-Element-Speichen gekoppelt ist, kann mit den Elektroventilen
gekoppelt werden. Luftdruck-Sensoren 28 sind heute sehr
klein und sie könnten
an jedem Federelement eingebaut werden. Die Druckwerte könnten dann
auf dem Fahrradcomputer 29 oder Fahrzeug-Bord-Computer 30 übertragen
werden. Der Fahrer könnte
sie dann während
der Fahrt manuelle regeln oder die Regelung der Druckwerte einer automatischen
Steuerung überlassen
und die Federkraft der Straßen-Belag
anpassen.
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Bei
einem Fahrrad, ist das Aufpumpen von Feder-Elementen nicht unbedingt
notwendig, weil die Federkraft nicht extrem stark sein muss. Allein
durch die Komprimierung der atmosphärischen Luft, der unter normalen
Druck sich in der Luftdruck-Kammer 21 befindet, was durch
die Bewegung der Kolben 23 erfolgt, kann genug Federkraft
erzeugt werden. Durch ein Doppelkammer-Federelement kann auf der
anderen Kammer ein Luftunterdruck erzeugt werden, was den Kolben
in der Mitte zu halten versucht. Durch das Zusammenspiel zwischen
Unterdruck und Überdruck
wird eine Federkraft auf den Kolben übertragen, die das Fahrrad
perfekt federt.
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Die
Variante, die in der 5 dargestellt worden ist, zeigt
ein System das mit Blasebalgs 31, die in dem Laufrad 1 integriert
sind, funktioniert. Die Blasebälge
nehmen einfach die Funktion der Luft-Feder-Elemente. Sie sind in
eine Konstruktion angebracht, die aus zwei Führungs-Scheiben 32 besteht, die
die seitliche Bewegung der Reifen verhindert. Hier kann auch der
Einbau von bogenförmigen
Blattfedern 33 die Stabilität des Rads gewährleisten.
Die Blattfeder erlauben nicht, dass die Radachse ausserhalb der
geometrischen Felgen-Ebene herauskommt. Die Federkraft wird dadurch
auch nicht beeinträchtigt,
weil die bogenförmige
Blattfeder biegsam ist und eine Schwenkbewegung der Radachse nicht
verhindert.
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In
der 6 ist eine Variante mit Stahlfedern 34 dargestellt
worden. Sie ist nicht so bequem wie die Luftfeder-Variante, jedoch
besser als das herkömmliche
Feder-System. Die Stahlfeder ist in Hohl-Zylinder 35 angebracht,
der auch als Führungs-Elemente dient.
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Dadurch
dass die Radfelge gegenüber
der Achse in eine senkrecht auf der Achse angeordnete geometrische
Ebene sich schwenken kann, ist nur eine Bremsung über die
Achse möglich.
Dafür kommen
Nabenbremse, Scheibenbremse 36 oder Trommelbremse in Frage.
Auch die Rahmenelemente, die in der Nähe des Rads sich befinden,
müssen
die Bewegungen des Rads erlauben und mehr oder weniger entfernt
eingebaut werden. Dadurch, dass das Rad nur Bewegungen in der geometrischen
Radebene macht und keine seitliche Bewegungen, ist keine besondere
Rahmenanpassung notwendig. Mit einem relativen Aufwand, ist auch
der Einbau einer Felgen-Bremse 37 (Z.B. V-Bremse oder Cantilenverbremse)
beim Fahrrad möglich.
Jedoch müssen
die Bremselemente mit den Rahmen beweglich verbunden werden, sodass
sie die Bewegung des Rads folgen und die Felge für Bremszwecke stets erreichen können. Die
Bremselemente können
auf einer Führungs-Schiene 38 oder
Führungs-Nut
eingebaut werden, die/der durch einem Führungsteil oder Führungsrolle 39,
die die Innenseite der Felge berührt, stets
in eine Position gebracht werden, die ein effektives Brems-Vorgang
ermöglicht
(7). Eine Feder 40 zieht die Führungsrolle
stets in Position, wenn der Felgen schnell hin und her durch die
Strassen-Unebenheiten Schwenkbewegungen macht.
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Die 8 zeigt
die Trichter-Elemente, an denen die Enden der Feder-Elemente gekoppelt
sind. Die Trichter 41 sind sowohl auf der Achse 5 auch
auf der Felge 4 eingebaut. Sie erlauben eine begrenzte Schwenkung
der Federelemente, sodass zumindest beim Anfahren oder hohe Antrieb-Kraftanwendung nicht
zu eine übermässiges Drehen
der Achse kommt, wobei der Felgen nur mit Verzögerung mithalten kann und zu
eine Ausdehnung der Federelemente kommt. Ebenfalls beim Bremsen
der Achse tritt dieser Effekt nicht so stark auf, wenn die Trichter-Elemente
eingebaut sind.
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Das
Speichen-Feder-System, das hier dargestellt worden ist, kann bei
Fahrrädern
auch als Tretkurbel-Antrieb für
die Überwindung
des Totpunktbereichs verwendet werden. Es ist bekannt, dass bei Fahrrädern ein
Totpunktbereich eintrifft, wenn die Pedal-Stellung senkrecht ist.
Durch die Feder-Elemente, die hier dargestellt worden sind, wird
bei Kraftanwendung, bzw. Antriebskraft ein Teil der Kraft in dem Feder-System gespeichert,
was bei einem Totpunktbereich wieder automatisch abgegeben wird.
Das hilft diesen Bereich ohne grosse Anstrengung zu überwinden,
was zu einem positiven „Nebeneffekt" dieses Federsystems
zählt.
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In
allen diesen Feder-Systemen können auch
Blattfeder 33 zur Stabilisierung eingebaut werden, die
zumindest die Achse und den Felgen in derselben geometrischen Ebene
stabil halten (9).
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- 1
- Laufrad
- 2
- Hindernis
- 3
- Gummi-Reifen
- 4
- Felgen
- 5
- Radachse
- 6
- Vektor-Kraft-Richtung
- 7
- Federgabel
- 8
- Fahrradrahmen
- 9
- geometrische
Laufrad-Ebene
- 10
- Innenkreises
- 11
- Gelenke
- 12
- Feder-Befestigungs-Punkte
- 13
- Öse
- 14
- Rohr
- 15
- Verbindungsflächen
- 16
- Bolzen
- 17
- Fahrzeug
- 18
- Luft-Feder-Element-
-
- Speichen
- 19
- Elektroventilen
- 20
- Steuerung
- 21
- Feder-Element-Druck-
-
- Kammer
- 22
- Hohl-Zylinder
- 23
- Kolben
- 24
- Leitungsrohr
- 25
- Fahrrad
- 26
- Druckwerte-Anzeige
- 27
- Funkempfänger
- 28
- Luftdruck-Sensoren
- 29
- Fahrradcomputer
- 30
- Bord-Computer
- 31
- Blasebalg
- 32
- Führungs-Scheiben
- 33
- Blattfedern
- 34
- Stahlfedern
- 35
- Hohl-Zylindern
- 36
- Scheibenbremse
- 37
- Felgen-Bremse
- 38
- Führungs-Schiene
- 39
- Führungsrolle
- 40
- Führungsrollen-Feder
- 41
- Trichter