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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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1. Gebiet
der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft elastomere Kompressionsfedern, wie sie im Oberbegriff
des Anspruchs 1 definiert sind, siehe US-A-4073858. Das bevorzugte
Ausführungsbeispiel
unserer Erfindung ist primär
auf eine neue Kompressionsfeder gerichtet, die aus einer sanduhrförmigen Vorform
ausgebildet ist, die orientiert ist, um eine Feder mit einer wesentlichen
Beugung über
einem vorbestimmten Betriebsbereich mit einer minimalen Ausbauchung
nach außen
zur Verfügung
zustellen. Die Erfindung hat weitreichende variierte Anwendungen,
die ein Verwenden bei der vorderen Aufhängungsgabel eines Mountainbikes
oder der Aufhängung
eines Förderwagens
auf dem Gebiet des Bergbaus für
keinen Einsatz auf Highways enthalten können. Anwendungen, bei welchen
eine Führungsvorrichtung,
wie beispielsweise ein Rohr oder ein Führungsstab, verwendet wird
oder bei welchen es nötig
ist, Toleranzdifferenzen bezüglich
eines Polsterstapels zu entfernen, ohne eine Vorbelastung zu verursachen,
sind auch vorgesehen.
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2. Zugehöriger Stand
der Technik
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Gegenwärtige Entwicklungen
von Mountainbikes und Fahrrädern
für das
Gelände
verwenden Vordergabel-Aufhängungssysteme,
die aus einer mikrozellularen Urethanfeder ausgebildet sind, die
innerhalb einer zylindrischen Einheit eingekapselt ist, die zwischen
der Vordergabel eines Fahrrads und seinem Rahmen angeschlossen ist.
Diese Entwicklungen zeigen Probleme, weil solche Urethanstoffe Feuchtigkeit
absorbieren, die ihr richtiges Funktionieren beeinträchtigt,
und ihnen aufgrund eines Abblätterns
eine Unversehrtheit und eine Haltbarkeit fehlt, und sie eine Fehlerrate
haben, die dem Hersteller zusätzliche
Kosten für
einen Dämpfer
auferlegt.
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Zu
dieser Anmeldung gehören
auch Federelemente, die aus demselben Material wie die vorliegende
Erfindung ausgebildet sind und deren molekulare Struktur durch einen ähnlichen
Prozess orientiert wird. Die ersten in einer Reihe von Patenten
für dieses
Federelement sind das US-Patent Nr. 4,198,037 und das Patent Nr.
4,566,678 für
David G. Anderson und für
den Anmelder der vorliegenden Anmeldung zessioniert. Das in diesen
Referenzschriften diskutierte thermoplastische Elastomer ist ein
Copolyester-Polymer-Elastomer, wie es beispielsweise von E. I. DuPont
de Nemoirs aus Wilmington, Delaware unter der Marke "HYTREL®" verkauft wird. Jedes
dieser Patente ist auf ein Verfahren einer Herstellung von Kompressionsfedern
aus HYTREL-Material und seine zugehörigen Kompressionsverformungsprobleme gerichtet.
Beide sind primär
auf Anwendungen ausgerichtet, die eine sehr hohe Federrate zum Absorbieren
von wesentlichen Energiemengen bei Anwendungen, wie beispielsweise
in der Schienenfahrzeugindustrie, erfordern.
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Aus
dem Dokument US-A-5280890 ist auch eine radiale Kompressionsfeder
bekannt, die aus einem Elastomer mit einem Verhältnis von plastischer Verformung
zu elastischer Verformung, das größer als 1,5 bis 1 ist, in einen
Hohlkörper
mit orientierten Wandabschnitten ausgebildet ist, die als Ergebnis
einer radialen Vorkompression eine Biegung enthalten. Die Feder
wird vorkomprimiert, um die Kompressionsverformungscharakteristika
des Elastomers zu überwinden
und seine molekulare Struktur zu orientieren.
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Das
Dokument US-A-3315951 offenbart eine Kompressionsfeder mit einer
Sanduhrform, deren radiale Dimensionen unter einem Erhöhen von
Belastungen innerhalb vernünftiger
Grenzen enthalten sind.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung ist eine sanduhrförmige Kompressionsfeder,
wie sie im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 definiert ist, die
entweder fest ist oder eine zentrale Öffnung oder Bohrung zum Absorbieren
von Energie in einer allgemein vertikalen Richtung hat. Sie ist
aus einem Elastomer hergestellt, dessen Verhältnis von plastischer Verformung
zu seiner elastischen Verformung größer als 1,5 bis 1 ist. Vorzugsweise
ist das Elastomer das HYTREL-Polyester-Polymer der Firma Du-Pont. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird der Sanduhrkörper,
der fest sein oder eine Bohrung dort hindurch haben kann, während einer
Herstellung vorkomprimiert, um irgendwelche Kompressionsprobleme
zu eliminieren und eine maximale molekulare Orientierung und eine Energieabsorption
zur Verfügung
zu stellen. Spezifischer ist eine elastomere Kompressionsfeder ausgebildet,
bei welcher die Sanduhrform durch eine Vorkompression um wenigstens
30 % ihrer Länge
verformt worden ist, um die Kompressionsverformungscharakteristika
des Elasto mers zu überwinden,
um seine molekulare Struktur zu orientieren und um für die relativ
konstante Federrate zu sorgen.
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Demgemäß bestehen
die Aufgaben dieser Erfindung im Bereitstellen von unter anderem:
- 1) einer einzigartigen elastomeren Kompressionsfeder,
die eine im Wesentlichen sanduhrförmige Gestalt hat und die entweder
fest ist oder eine Bohrung dort hindurch hat, um Energie bei einem im
Wesentlichen winkelmäßigen Kompressionshub über einem
vordefinierten effektiven Betriebsbereich zu absorbieren;
- 2) einer elastomeren sanduhrförmigen Feder, die während des
ersten Teils des Betriebsbereichs eine Beugung mit einer geringen
Erhöhung
bezüglich
eines Widerstands aushalten kann;
- 3) einer elastomeren sanduhrförmigen Feder, die auf eine
Belastung über
einem vorbestimmten effektiven Betriebsbereich bezüglich sich
selbst zerbricht und im Allgemeinen ihren Außendurchmesser nicht erhöht;
- 4) einer elastomeren sanduhrförmigen Feder, die sich über einem
vorbestimmten effektiven Betriebsbereich sehr wenig ausbaucht, so
dass ein Führungsrohr
oder ein Führungsstab,
das bzw. der durch ihre Mitte verläuft, für eine Stabilität verwendet
werden kann;
- 5) einer elastomeren sanduhrförmigen Feder, die sich während einer
Kompression sehr wenig ausbaucht und die eine Bohrung von verschiedenen Größen dort
hindurch haben kann, um die Belastung/Durchbiegung-Kurve zu variieren;
- 6) einem Polsterstapel aus elastomeren sanduhrförmigen Federn,
die in einem Führungsrohr
getragen werden, welches sich während
einer Kompression sehr wenig nach außen ausbauchen und ein Loch
dort hindurch haben;
- 7) einer thermoplastischen elastomeren sanduhrförmigen Feder,
die wenigstens drei Bereiche enthält, wobei ihre molekulare Struktur
orientiert worden ist; und
- 8) einer thermoplastischen elastomeren sanduhrförmigen Feder
mit einer Öffnung,
die entlang ihrer Hauptachse verläuft, welche wenigstens zwei Bereiche
enthält,
in welchen ihre molekulare Struktur orientiert worden ist.
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BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Art, auf welche diese Aufgaben und andere erwünschte Charakteristika aus
dieser Erfindung erhalten werden können, wird in der folgenden Beschreibung
und beigefügten
Zeichnungen erklärt werden,
wobei:
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1 eine
illustrative Versatzkurve ist, die den Kraftversatz einer elastomeren
sanduhrförmigen Feder
vergleicht;
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2 eine
seitliche Aufrissansicht eines Stapels aus elastomeren sanduhrförmigen Federn
ist;
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3 eine
seitliche Aufrissansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer geformten sanduhrförmigen Vorform
des elastomeren Polsters ist, das in der Kompressionsfedereinheit
dieser Erfindung verwendet wird und das eine zentrale Bohrung hat,
wie es durch die gestrichelten Linien angezeigt ist;
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4 eine
seitliche Aufrissansicht im Schnitt eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
unserer Erfindung ist, die nach der Ausübung und einer Entfernung einer
Kompressionskraft auf den allgemein in 3 gezeigten
Vorformkörper
eine zentrale Bohrung hat;
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5 allgemein
eine auseinandergezogene Ansicht von mehreren Elementen der Vordergabel
eines Mountainbikes ist, die die elastomere sanduhrförmige Feder
der vorliegenden Erfindung enthält.
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6 eine
seitliche Aufrissansicht im Schnitt ist, die nach der Ausübung und
der Entfernung einer Kompressionskraft auf eine feste Vorform gleich
derjenigen, die in 3 gezeigt ist, keine zentrale
Bohrung hat, die fest ist; und
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7 eine
seitliche Aufrissansicht im Schnitt der Feder der 6 ist,
die über
den effektiven Betriebsbereich der Vordergabel eines Moutainbikes
hinausgehend komprimiert ist, aber für andere Anwendungen geeignet
ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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Nimmt
man Bezug auf 3, weist die neue elastomere
Vorformkonfiguration 10 eine im Wesentlichen sanduhrförmige Gestalt
auf. Die Vorformkonfiguration 10 enthält einen oberen und einen unteren Bereich 12 und 14,
die durch einen Mittellinienbereich 16 verbunden sind.
Flache Teile 18 und 20 sind an den äußersten
Enden der Bereiche 12 und 14 für einen Kontakt mit beispielsweise
der Innenwand eines Führungsrohrs
(nicht gezeigt) vorgesehen, wodurch von der elastomeren Feder, wenn
sie während eines
normalen Arbeitszyklus einmal zu dem Führungsrohr ausgebildet ist,
Wärme übertragen
werden kann. Eine zentrale Öffnung
oder eine Bohrung 22 kann beispielsweise vorgesehen sein,
um das Durchlaufen eines Führungsstabs
zuzulassen, wenn kein Führungsrohr
verwendet wird. Wie es in 4 gezeigt
ist, erstreckt sich die Öffnung 22 in
der Kompressionsfeder 15 im Allgemeinen parallel zur Hauptachse 23 durch
den Oberteil 38 und die Basis 40. Obwohl es in
den Figuren nicht gezeigt ist, ist die sanduhrförmige Gestalt, wie es beispielsweise
in 4 gezeigt ist, wenn sie vom Oberteil oder vom
Unterteil aus angeschaut wird, rund, wie es eine sanduhrförmige Vorrichtung
ist, die zum Messen von Zeit verwendet wird.
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Es
sollte auf 5 Bezug genommen werden, in
welcher eine elastomere Feder 11 ohne die zentrale Öffnung gezeigt
ist, die, wie es offensichtliche ist, aus einer Vorform ohne zentrale Öffnung ausgebildet
wurde. Zu Zwecken eines Ausbildens eines Polsterstapels 25,
wie es beispielsweise in 2 gezeigt ist, ist es bestimmt
worden, dass die wohlüberlegte
Verwendung einer zentralen Bohrung, wie beispielsweise 22,
eine weitere Varianz der Belastung/Durchbiegung-Kurve zulässt, sowie
eine Führung
zur Verfügung
stellt. Beispielsweise stellt das Enthaltensein einer Öffnung in
der elastomeren Feder, die in 4 gezeigt
ist, eine weichere Feder im Vergleich mit einer ähnlichen elastomeren Feder,
wie in 5 ohne Öffnung
zur Verfügung.
Ein Beispiel eines solchen Polsterstapels mit einer Öffnung ist
in 5 gezeigt und als Bezugszeichen 27 identifiziert.
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Wie
bei den Federn nach dem Stand der Technik, die in den obigen US-Patenten
identifiziert sind, erfordert die in 3 gezeigte
Vorformkonfiguration 10 eine Vorkompression von wenigstens
30 % ihrer Länge,
um die Kompressionsverformungscharakteristik von HYTREL zu überwinden
und um die molekulare Struktur zu orientieren. Solches wird durch
Platzieren der Vorform in einer Kompressionspresse und durch Anlegen
von ausreichender Kraft zum Komprimieren der Vorform zu einer vorbestimmten
Position bewirkt. Eine molekulare Orientierung kann aus einer visuellen
Untersuchung der elastomeren Feder nach ihrem Querdurchschneiden
bestimmt werden. Die Bereiche einer Orientierung erscheinen amberfarbig
und leicht durchsichtig, während
das nicht orientierte Material wie grundsätzliches jungfräuliches
HYTREL ausschaut, nämlich
weiß/braun bezüglich der
Farbe und nicht durchsichtig. Es sollte beachtet werden, dass ich
glaube, dass die Bereiche, die bezüglich der Farbe amber sind
und leicht durchsichtig sind, mit einer Orientierung verbunden sind, ich
dies aber nicht sicher weiß.
Ich weiß,
dass diese Bereiche zu Federfähigkeiten
des fertig gestellten Produkts gehören. Umso mehr ein Bereich
oder Bereiche bezüglich
der Farbe amber sind und leicht durchsichtig sind, umso besser sind
die Federcharakteristika des fertig gestellten Produkts. Auf ein
Lösen des
Drucks hin, hat die Vorformkonfiguration 10 die in 4 gezeigte
Gestalt 15 angenommen, wobei der obere und der unter Bereich 12 und 14 der 3 permanent
verformt worden sind, um einen oberen Bereich 30 und einen
unteren Bereich 32 mit leicht gekrümmten oder gebogenen oberen
und unteren Seitenwandabschnitten 34 und 36 zu
definieren. Wie es offensichtlich ist, könnten in Abhängigkeit
von der bestimmten Gestalt der ursprünglichen Sanduhr-Vorform und
dem Ausmaß an
Kompression, das durch die Kompressionspresse ausgeübt wird,
die Seitenwandabschnitte 34 und 36 irgendeinen
Grad einer Ausbauchung über
diejenige der glatten, flachen Konfiguration von Seitenwänden 25 und 28 der
Vorformkonfiguration 10 hinausgehend haben. Der obere Bereich 30 enthält ein Oberteil 38 und
eine kleinere Achse 39 und der untere Bereich 32 hat
eine Basis 40 und eine kleinere Achse 41. Der
obere und der untere Seitenwandabschnitt 34 und 36 verbinden
den Oberteil 38 und die Basis 40 mit dem Mittellinienbereich 17.
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Nimmt
man Bezug auf die 6 und 7, sind
diese ein weiteres Ausführungsbeispiel
der hierin nachfolgend betrachteten Erfindung, aber ihnen fehlt
eine zentrale Öffnung 22,
wie in 4. Die elastomere Feder 11, auf die in 6 und 7 Bezug genommen
ist, enthält
einen oberen und einen unteren Bereich 31 und 33,
die durch einen Mittellinienbereich 35 miteinander verbunden
sind. Der obere Bereich 31 hat ein Oberteil 50 und
der untere Bereich 33 hat eine Basis 52. Basierend
auf einer Untersuchung eines Schnitts der elastomeren Feder, wie
es die elastomere Feder 11 in 6 ist, sind
bestimmte Muster in Bezug auf eine molekulare Orientierung im HYTREL
offensichtlich. Wie es oben angegeben ist, glaube ich, dass dann,
wenn die molekulare Struktur einer HYTREL-Vorform während einer
Vorkompression (der ersten Kompression) orientiert wird, wodurch
Kompressionsverformungscharakteristika des elastomeren Materials
eliminiert werden, dass die Bereiche einer molekularen Orientierung
eine andere Farbe als diejenige eines nicht orientierten Materials haben.
Bei einer Untersuchung einer Probe einer festen elastomeren Feder,
wie beispielsweise der elastomeren Feder 11, werden drei
Bereiche einer unterschiedlichen Farbe bemerkt. Der erste Bereich 54 ist im
oberen Bereich 31 und erstreckt sich entlang der kleineren
Achse 56 in der Form eines Bandes oder einer Schicht. Der
zweite Bereich 58 einer Farbe existiert im Mittellinienbereich 35 und
der dritte Bereich 60 existiert ebenso als Band oder als
Schicht im unteren Bereich 33 und erstreckt sich entlang
der kleineren Achse 62 davon ebenso als Band oder als Schicht,
wobei beide kleineren Achsen 56 und 62 rechtwinklig
zur Hauptachse bzw. größeren Achse 64 der
elastomeren Feder 11 sind.
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Basierend
auf unserem Glauben von diesen Beziehungen zwischen der Farbe und
dem elastomeren Material nach einer Vorkompression sollte wiederum
Bezug auf die 3 und 4 genommen werden.
Auf eine Vorkompression der Vorformkonfiguration 10 der 3 hin
resultiert die Kompressionsfeder 15 darin, dass entdeckt
wurde, dass sie vergrößerte obere
und untere symmetrische Abschnitte 66 und 68 hatte,
die in der zentralen Öffnung 22 ausgebildet
sind. Aufgrund der Amberfarbe und der leichten Durchsichtigkeit
des elastomeren Materials in dem Bereich 70, der allgemein
benachbart zu dem oberen vergrößerten symmetrischen
Abschnitt 66 ist, und dem Bereich 72, der allgemein
benachbart zu dem unteren vergrößerten symmetrischen
Abschnitt 68 ist, glaube ich, dass eine Orientierung der
molekularen Struktur in diesen Bereichen aufgetreten ist. Obwohl
es nicht gezeigt ist, erstrecken sich die Bereiche 70 und 72 in
einem anschlussflächenartigen Band
um den Umhang des oberen und des unteren symmetrischen Abschnitts 66 und 68.
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Die
elastomere Feder für
die vordere Gabel eines Fahrrads wird mit einer Führungsvorrichtung über ihren
Betriebsbereich, wie er definiert ist, beispielsweise für die Belastung/Durchbiegung-Kurve der 1 verwendet,
die den ersten und den vierten Verschluss 7 und 9 darstellt.
Die obere Grenze des Betriebsbereichs ist bei der Stelle, wo die
Ausbauchung aufgrund einer Kompression verursacht, dass die flachen
Teile 19 und 21 mit der Führungsvorrichtung interagieren,
um die Bela stung/Durchbiegung-Kurve zu bewirken. Das bedeutet, dass
sich die elastomere Feder so ausbaucht, dass die flachen Teile 19 und 21,
neben einem Zulassen eines Wärmetransfers,
jede der Seitenwände
des Führungsrohrs ergreifen.
Wir haben herausgefunden, dass der Grad einer Ausbauchung, der ausreichend
zum Bewirken einer Belastung/Durchbiegung-Kurve ist, durch den Grad
des vollständigen
Zusammendrückens
der oberen und unteren Wandabschnitte 43 und 45 wiedergegeben
wird, was in 7 dargestellt ist.
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Die
in 7 gezeigte elastomere Feder ist bis zu einem Punkt
vollständig
zusammengedrückt "oder komprimiert" worden, wo sie über dem
effektiven Betriebsbereich der Vordergabel eines Mountainbikes ist.
Es muss jedoch verstanden werden, dass die in 7 gezeigte
vollständig
zusammengedrückte
elastomere Feder 11 noch eine sehr effektive Feder ist,
wenn sie einer erhöhten
Belastung ausgesetzt wird. Eine Kompression über ein vollständiges Zusammendrücken hinausgehend
ist verbunden mit einer Ausbauchung und resultiert somit in Problemen,
wenn das Rohr die obere Rohranordnung eines Mountainbikes ist. Nimmt
man Bezug auf 5, sind dort Teile der Vordergabel 42 eines
Fahrrads gezeigt. Diese enthalten: den Polsterstapel 25,
eine obere Rohranordnung 44, einen Gabelschuh 46 und
eine Gabel 48. Ein vollständiges Zusammendrücken von einzelnen
Federn des in 5 gezeigten Polsterstapels 25 würde in einem
unerwünschten
Verhalten resultieren.
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Fachleute
auf dem Gebiet eines plastischen Formens und eines Entwickelns von
Kompressionsfedern werden entdecken, dass viele Modifikationen unserer
Erfindungen zufriedenstellende Ergebnisse erzeugen werden. Beispielsweise
können
obere und untere Seitenwände
der Vorform mit unterschiedlichen Winkeln zueinander ausgebildet
werden, oder kann die Mittellinie dicker oder dünner gemacht werden. Als weitere
Alternative können
orientierbare Elastomere, die andere als HYTREL sind, für einige Anwendungen
akzeptierbar sein. Diese und andere Variationen, die von Fachleuten
auf dem Gebiet erkannt werden, sind innerhalb des beabsichtigten Schutzumfangs
unserer Erfindung, wie sie nachfolgend beansprucht ist.