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.
Objeto de la invención
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.
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.
Antecedentes de la invención
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.
Descripción de la invención
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:
Breve descripción de los dibujos
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.
Descripción de la forma de realización preferida
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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