ES2259912B1 - Sistema de suspension para horquillas delanteras de motocicletas. - Google Patents
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Abstract
Sistema de suspensión para horquillas delanteras de motocicletas. En las suspensiones delanteras de motocicletas, existe una horquilla de dos brazos telescópicos determinando un sistema de suspensión que debe cumplir la función de absorber las irregularidades del terreno y aportar la estabilidad suficiente para que el conductor tenga control de la moto en las diversas condiciones de conducción. Acorde con la invención se consigue una progresividad muy notable en aproximadamente la primera mitad del recorrido total de la horquilla, al disponer en serie en cada uno de dichos brazos telescópicos un muelle de gas (1, 1'', 1'''') y un muelle helicoidal (12) de rigidez superior al habitual. El muelle de gas (1) incluye un tapón superior de obturación (3) de una camisa (2), contando con una válvula axial (6) y cuyo pistón interior (7) es portador de un vástago (8) rematado en un distanciador-centrador (9) del muelle helicoidal (12), teniendo la cámara superior (15) del pistón (7) un volumen determinado de aceite (16) y el resto gas a presión.
Description
Sistema de suspensión para horquillas delanteras
de motocicletas.
La presente invención, según lo expresa el
enunciado de esta memoria descriptiva, se refiere a un sistema de
suspensión para horquillas delanteras de motocicletas, con el que
se consigue un comportamiento progresivo de la función elástica, es
decir, del muelle que está dentro de la horquilla telescópica.
El sistema de suspensión delantera de una moto
está formado, generalmente, por una horquilla telescópica que tiene
dos funciones incorporadas:
- Función elástica realizada por un muelle
helicoidal que puede ser de rigidez constante o de rigidez
variable.
- Función de amortiguación hidráulica, realizada
por dos métodos básicamente: de cartucho y convencional.
Los muelles de rigidez constante se
caracterizan, entre otros aspectos, por tener el mismo diámetro de
espira y el mismo paso (distancia entre espiras medida
longitudinalmente), consiguiendo un comportamiento lineal en la
gráfica fuerza-deformación, como veremos más
adelante en relación con las figuras. Los muelles de rigidez
variable tienen un paso variable, consiguiendo un comportamiento
variable en la gráfica fuerza-deformación 5 como
veremos también más adelante. La progresividad del muelle de
rigidez variable es limitada y habitualmente tiene solamente dos
pendientes.
En las suspensiones delanteras de motocicleta,
el concepto más común encontrado es el de una horquilla telescópica
que incluye dos brazos paralelos unidos entre sí por dos piezas
llamadas tijas que se disponen, una de ellas en el extremo superior
de ambos brazos, y la segunda a una distancia variable hacia abajo,
para hacer un conjunto suficientemente rígi-
do.
do.
La suspensión debe cumplir una función de
absorber las irregularidades del terreno, aportando al vehículo, en
este caso la motocicleta, la estabilidad suficiente para que el
conductor pueda tener control del mismo ante las diversas
condiciones de conducción.
La motocicleta tiene que tener un comportamiento
estable cuando pasa por firmes ondulados o bacheados. Esto es
particularmente importante en motos de campo como por ejemplo:
Trial, Enduro, Rally, etc. Para conseguir un comportamiento
estable, el muelle helicoidal está diseñado siguiendo parámetros
como el peso de la moto, geometría, especialidad para la que se
diseña, etc.
Como el muelle es un elemento que almacena una
considerable cantidad de energía durante el funcionamiento, se
producen movimientos parásitos, rebotes, vibraciones,
sobreoscilaciones, etc., y para mitigar este no deseable efecto, es
necesario incorporar un amortiguador hidráulico.
Este sistema está incorporado en la propia
horquilla, y el líquido amortiguador es generalmente un aceite
especial que se ve forzado a pasar por unos orificios calibrados, y
la fuerza amortiguadora aumenta con la velocidad de paso de dicho
aceite por los orificios. El buen ajuste de las dos funciones,
elástica y amortiguadora, es esencial para el comportamiento
estable de la moto.
En líneas generales, el sistema de suspensión
para horquillas delanteras de motocicletas, objeto de la presente
invención, ha de reunir las siguientes características:
- -
- Ser lo más progresivo posible en el 50% aproximadamente de la carrera total.
- -
- Ajustable de forma sencilla.
- -
- Compatible con la horquilla original de la motocicleta (para no comprometer la rigidez estructural de la misma definida por el fabricante).
- -
- Modular y sencilla de fabricar.
- -
- Eficaz ante el principio físico con el que se consigue la progresividad.
La progresividad se consigue con la compresión
de un gas. Dado que la carrera total de la horquilla telescópica
es limitada, hay que hacer el mejor aprovechamiento de ella. Esto
significa que no es posible hacer la función elástica solamente con
un gas, porque la fuerza que se obtendría al final de la carrera
(por ejemplo a 150 mm en el caso de una horquilla de unos
150-180 mm de carrera) sería insuficiente para la
dinámica y estabilidad de la moto.
Por lo tanto, se desarrolla el concepto de un
sistema formado por dos elementos elásticos dispuestos en
serie:
El primer elemento definido por un gas
comprimido, y un segundo elemento materializado por un muelle
helicoidal, de rigidez simple y netamente aumentada respecto del
muelle original. El muelle de gas otorga el comportamiento
progresivo en la primera mitad de la carrera de compresión de la
horquilla.
El conjunto de ambos elementos dispuestos en
serie, se puede montar en cada uno de los brazos de la horquilla
original de la motocicleta, sustituyendo los elementos internos de
la misma por los respectivos conjuntos objeto de la invención.
El muelle de gas incluye un tapón superior de
obturación de un tubo o camisa en cuyo interior discurre un pistón
deslizante. En la cámara superior se encuentra un gas a presión y
cierta cantidad de aceite para optimizar el deslizamiento. En el
tapón existe un orificio de montaje de la válvula de llenado de
gas.
El pistón posee inferiormente un vástago
rematado en un distanciador-centrador del muelle
helicoidal que constituye el segundo elástico amortiguador
dispuesto en serie.
Para facilitar la comprensión de las
características de la invención y formando parte integrante de esta
memoria descriptiva, se acompañan unas hojas de planos en cuyas
figuras, con carácter ilustrativo y no limitativo se ha
representado lo siguiente:
Figura 1.- Es un esquema de la rigidez variable
de un muelle de una suspensión convencional, de paso variable en
dos etapas.
Figura 2.- Es un esquema de la deformación
experimentada solamente por un muelle helicoidal; solamente por el
gas; y la deformación experimentada por el conjunto de ambos
elementos dispuestos en serie, correspondiendo esta última gráfica
al sistema de suspensión objeto de la invención.
Figura 3.- Es una gráfica que muestra el
comportamiento de la suspensión convencional de la motocicleta y el
obtenido con el sistema de suspensión objeto de la invención más
flexible y progresivo inicialmente y más rígido después.
Figura 4.- Es un esquema comparativo según las
curvas características de la suspensión, donde la curva de
flexibilidad del gas es sensible al volumen de la cámara, partiendo
las curvas del mismo punto.
Figura 5.- Es otro esquema que muestra la
sensibilidad del sistema de suspensión a la presión inicial de
tarado, es decir, cada curva tiene un punto de partida dependiente
de la presión inicial.
Figura 6.- Es una vista parcial en alzado
longitudinal seccionado, del sistema de suspensión para horquillas
delanteras de motocicletas, acorde con la invención, a montar en
cada brazo de la horquilla.
Figura 7a.- Es una vista esquemática en alzado
longitudinal seccionado, del sistema de suspensión original, con un
brazo telescópico en posición distendida.
Figura 7b.- Es una vista similar a la figura 1,
en posición comprimida.
Figura 7c.- Es una vista similar a la figura 7a
con el mismo muelle helicoidal sometido a una pretensión
inicial.
Figura 8.- Es una vista similar a la figura 6,
mostrándose el conjunto en el interior del tubo correspondiente a
uno de los brazos de la horquilla.
Figura 9.- Es una vista similar a la figura 6,
según una forma de realización diferente.
Figura 10.- Es una vista similar a la figura 9,
según un tercer modo de realización de la invención.
Haciendo referencia a la numeración adoptada en
las figuras, podemos ver cómo en la figura 1 se muestra una forma
convencional de conseguir un muelle progresivo, i haciéndolo de paso
variable. Es muy deseable que para que la respuesta del muelle sea
proporcional a la solicitud a la que se le somete, sea lo más
progresivo posible. Se consigue que en una primera etapa,
generalmente en torno a los 80-100 mm una primera
parte suave del muelle (con menor paso entre espiras) se deforme
hasta que hace bloque, pasando después a actuar una parte más
rígida (con mayor paso entre espiras).
En el gráfico de esta figura 1 se ve una primera
parte más elástica y a partir de un punto cambia la forma de la
curva para hacerse más rígida. Esto hace que ante pequeños baches o
perturbaciones, el movimiento de la horquilla sea más suave. No
obstante, este diseño tiene la limitación de no ser ajustable, y la
necesidad de cambiar el muelle si se quiere cambiar la
característica elástica. Cualquier cambio de rigidez pasa por un
cambio de muelle.
En el gráfico de la figura 2, la curva pasante
por los puntos materializados por pequeñas circunferencias,
representa la deformación solo del gas contenido en un cilindro,
consiguiéndose entonces una fuerza remarcable con poca carrera
relativa. La curva pasante por los puntos señalados como rombos,
muestra la deformación conseguida solo con el muelle: nada
progresivo al inicio. Por último, la curva que une los puntos
marcados con cuadrados corresponde a la deformación resultante
empleando el conjunto de los dos muelles en serie, acorde con la
invención: progresiva al principio, deformándose con mucha
absorción de fuerza con la carrera disponible (en torno a los 200
mm en este caso).
El modelo matemático con el que se consigue este
resultado óptimo, incluye la simulación de comportamiento de los
gases reales, en base a la ecuación de estado de Van der Waals. Se
consigue simular el comportamiento, bastante similar
cualitativamente con la realidad (curva pasante por los
círculos).
La rigidez del muelle nuevo es aproximadamente
el doble o más que en la horquilla original de la moto.
En el gráfico mostrado en la figura 3, se indica
el resultado real obtenido con el modelo matemático, y que se basa
en datos reales de un modelo real pues un prototipo ha sido
fabricado y puesto en funcionamiento durante más de 1.200 Km por
todo tipo de terrenos y situaciones. La curva pasante por el
origen, prácticamente lineal, corresponde al muelle original de la
motocicleta. La curva pasante por los puntos en forma de
cuadrados, es el comportamiento de la suspensión instalada con
éxito en la moto real, acorde con la invención. Se ve cómo se
consigue el objetivo preconizado: más flexible y progresivo hasta
una carrera de unos 130 mm para evolucionar a más rígido incluso
del muelle original, a partir de este punto (cruce de las
curvas).
En cuanto a la capacidad de regulación, el
sistema de suspensión que se preconiza cumple el objetivo de
regulación sencilla porque la curva de flexibilidad del gas es
sensible a:
- Volumen de la cámara.
- Presión inicial.
En el gráfico correspondiente a la figura 4 se
simula la sensibilidad al volumen de la cámara y en el gráfico de
la figura 5 se simula la sensibilidad a la presión inicial de
tarado.
Se observa que en el primer caso, es decir, en
el esquema de la figura 4, todas las curvas parten del mismo punto
(misma presión inicial), y en segundo caso (en el esquema de la
figura 5) cada curva tiene un punto de partida dependiente de la
presión inicial. Esto ha sido además probado con el prototipo real
construido.
En dicha figura 4, tal y como se muestra en el
ángulo inferior derecho se indican tres casos cambiando el volumen
de la cámara (20 cm^{3}, 25 cm^{3}, 30 cm^{3}
respectivamente).
En la figura 5 también se representan tres casos
con diferentes presiones en la cámara, correspondiente
respectivamente a presiones de 1,8 bares, 1,6 bares y 1,4 bares
respectivamente.
En la figura 6 se muestra la estructura de un
prototipo construido acorde con la invención, el cual es acoplable
al propio tubo de la horquilla (montable en cada uno de sus
brazos). Incluye el muelle de gas referenciado en general con el
número 1 y constituido por una camisa 2 cerrada por un tapón
superior 3 y que a su vez quedará cubierto por el tapón original 4
de la horquilla, provisto de un taladro axial 5 para fijación de la
válvula 6 (ver figura 9). En el interior de la camisa 2 discurre el
pistón 7 que lleva conectado inferiormente el vástago 8 rematado a
su vez en una pieza inferior 9 de guía en el propio tubo del brazo
respectivo de la horquilla. En las figuras 7 y 8 está referenciado
con el número 10 este tubo. La referencia 11 designa la banda de
deslizamiento de la pieza de guía 9, contando ésta última con un
saliente de apoyo para el muelle helicoidal 12 que materializa el
segundo elemento de amortiguación, dispuesto en serie el muelle de
gas 1.
Por su parte, el pistón 7 posee otra banda de
guía 13 y un retén 14 de aceite para comprimir el gas presurizado
que se encuentra en la cámara superior 15, la cual está
parcialmente ocupada por aceite 16. Este retén de aceite 14 tiene
la misión de garantizar que durante la operación de compresión del
elemento elástico, el aceite que se encuentra por gravedad en la
parte inferior de la cámara de gas, no escape de su alojamiento. El
aceite 16 es depositado dentro de la cámara de gas 15, antes de
presurizarla.
El tapón superior 3 de la camisa 2 del muelle de
gas 1, dispone de una junta tórica 17 de estanqueidad de la cámara
15.
El muelle helicoidal 12 es un elemento calculado
y diseñado para que, junto con el vástago 8 del pistón 7 y el
propio muelle de gas 1, soporten los esfuerzos que genera el
movimiento natural de la horquilla telescópica de suspensión cuando
está en funcionamiento, es decir, absorbiendo las irregularidades
del terreno por el que pasa el vehículo en el que está instalado el
sistema.
Haciendo ahora especial referencia a la figura
9, vemos una variante de realización sencilla, acorde también con
la invención, pero donde la compresión del gas se consigue montando
un pistón 7' que tiene incorporado el retén de aceite 14 y una o
dos bandas antifricción 13 (en este caso dos).
Lo que se consigue con este diseño es hacerlo
más sencillo. Tiene la limitación de que el diseño del pistón 7'
es delicado porque tiene que adaptarse al diámetro interior del
propio tubo 10 de la horquilla original de la motocicleta, en cada
uno de sus brazos. Tiene la ventaja de que simplemente taladrando
el tapón superior original 4, se atornilla la válvula 6 y ya está
disponible para presurizar con una bomba adecuada.
El muelle 12 apoya en la pieza de guía 9 por
intermedio de una arandela 18.
En la figura 10 se ha referenciado con 1'' un
cilindro de gas que supone una forma de realización más evolucionada
incluso que la forma de realización mostrada en la figura 6 del
muelle de gas 1, con el mismo principio de funcionamiento. En este
caso, el tapón superior está referenciado con el número 3' porque a
diferencia del referenciado con 3 en la figura 6, integra el tapón
original 4 de la moto y el tapón anterior, (se pasa de dos piezas a
una).
También se incluye un cierre de poliamida 19 que
tiene la misión de anular la cámara que queda por el necesario
taladro axial del tapón superior 3' para el montaje de la válvula
6. La razón de eliminar esta pequeña cámara es por el propio
comportamiento del gas a presión, pues interesa que en los últimos
milímetros de la carrera de compresión, el diámetro de la cámara 15
corresponda con el del pistón 7% que comprime (según el modelo
matemático).
Claims (5)
1. Sistema de suspensión para horquillas
delanteras de motocicletas, contando con dos brazos telescópicos
con función elástica mediante un muelle helicoidal, y de
amortiguación con un sistema hidráulico, caracterizado
porque la función elástica se consigue con dos elementos dispuestos
en serie en el interior de dichos brazos telescópicos un muelle
metálico helicoidal (12) de rigidez superior a la habitual, y un
muelle de gas (1, 1', 1'') que otorga un comportamiento progresivo
durante la primera mitad de la carrera de compresión de la
horquilla.
2. Sistema de suspensión para horquillas
delanteras de motocicletas, según reivindicación 1,
caracterizado porque el conjunto de ambos elementos (1, 1',
1'', 12) dispuestos en serie, puede montarse en el tubo (10) que
materializa el brazo correspondiente de la horquilla original de la
motocicleta, sustituyendo a los elementos internos originales del
mismo.
3. Sistema de suspensión para horquillas
delanteras de motocicletas, según reivindicación 1,
caracterizado porque el muelle de gas (1) incluye un tapón
de obturación superior (3) de una camisa (2) con una válvula axial
(6) y un pistón interior (7) deslizante y cuyo vástago (8) se
remata inferiormente en un distanciador-centrador
(9) del muelle helicoidal (12) y como pieza de guía (9) en el tubo
(10) de la horquilla a través de una banda antifricción (11),
teniendo la cámara superior (15) del pistón (7), un volumen
determinado de aceite (16) y el resto un gas a presión.
4. Sistema de suspensión para horquillas
delanteras de motocicletas, según reivindicación 1,
caracterizado porque el muelle de gas (19, está determinado
por el propio tubo (10) del brazo de la horquilla como camisa del
pistón (7'), teniendo el tapón superior (4) de cada brazo de la
misma, un orificio roscado para inserción de la válvula de llenado
(6), incorporando el pistón (7') un retén de aceite (14) y al menos
una banda antifricción (13), y estando la cámara superior del
pistón (7') llena con un volumen parcial de aceite (16) y el resto
gas a presión.
5. Sistema de suspensión para horquillas
delanteras de motocicletas, según reivindicación 3,
caracterizado porque el tapón de obturación superior (3')
tiene una porción roscada para anclaje en el tramo inicial roscado
del tubo original (10) del brazo correspondiente de la horquilla,
un orificio axial de montaje de la válvula (6) de llenado de gas, y
un cierre de poliamida (19) que anula el orificio de montaje de
dicha válvula (6).
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2005
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