DE102022001109A1 - Air suspension fork with linearized spring characteristics thanks to a multi-chamber system - Google Patents

Abstract

Translated fromGerman

2.1 Technische Aufgabe und Zielsetzung der ErfindungAuf dem Markt sind bei Fortbewegungsmitteln zwei Federgabelsystemen etabliert:- Stahlfedergabelsysteme sind deutlich schwerer als Luftfedergabelsysteme und schlagen viel eher durch. Vorteil ist die lineare Progression.- Bei Luftfedergabelsystemen ist die hyperbolische Progression unvorteilhaft, auch wennhiermit in der Endprogression ein Durchschlagen nahezu ausgeschlossen ist.Das neue System hat eine optimale Progression mit linearem Verlauf, hyperbolischer Endprogression, erhöhte Anpassbarkeit und weiterhin geringem Gewicht.2.2 Lösung des technischen ProblemsEs werden mehrere Gas-Druck-Kammern miteinander gekoppelt, welche unterschiedliche Anfangsdrücke aufweisen können (Vgl. Abb. 1).So kommt es bei steigender Krafteinwirkung zum stufenweisen Einsatz von weiteren Kammern, was zusätzliches Kompressionsvolumen bedingt und die hyperbolische Progression verhindert (s. Abb. 2).2.3 AnwendungsgebietPrimäranwendungsgebiet des Federungssystems ist die Nutzung der Federungseigenschaften beim Fahrrad.Das System ist jedoch vielseitig einsetzbar und beschränkt sich nicht nur auf das Fahrrad. Vielmehr ist es bei jedem Fortbewegungsmittel einsetzbar, welches über Stoßdämpf- und Federungssysteme benötigt, wie beispielsweise Motorräder, Autos und Motorsportwägen, etc.2.1 Technical task and objective of the invention Two suspension fork systems are established on the market for means of transportation: Steel spring fork systems are significantly heavier than air suspension fork systems and are much more likely to bottom out. The advantage is the linear progression.- In air suspension fork systems, the hyperbolic progression is disadvantageous, even if bottoming out in the final progression is almost impossible. The new system has an optimal progression with a linear progression, hyperbolic final progression, increased adaptability and still low weight.2.2 Solution to the technical problem: Several gas pressure chambers are coupled together, which can have different initial pressures (see Fig. 1). As the force increases, additional chambers are gradually inserted, which requires additional compression volume and prevents hyperbolic progression (see Fig. 1). Fig. 2).2.3 Area of applicationThe primary area of application of the suspension system is the use of the suspension properties of a bicycle. However, the system can be used in a variety of ways and is not limited to the bicycle. Rather, it can be used in any means of transport that requires shock absorption and suspension systems, such as motorcycles, cars and motorsport cars, etc.

Description

Translated fromGerman

Stand der Technik:State of the art:

Bei Mountainbikes sind Federgabeln ein zentraler Bestandteil. Sie sind ein wichtiges Qualitätsmerkmal und als solches nicht wegzudenken. Verbreitet sind bei Fahrrädern vor allem zwei Typen von Federgabeln mit unterschiedlichen Dämpfungsmechanismen: mechanisch mittels Spiralfedern und pneumatisch durch Kompression eines Gases in abgeschlossenen Kammern.Suspension forks are a central component of mountain bikes. They are an important quality feature and as such cannot be imagined without them. Two types of suspension forks with different damping mechanisms are particularly common in bicycles: mechanical using spiral springs and pneumatically using compression of a gas in closed chambers.

Pneumatisch Luftfedern haben zwar einen klaren Gewichtsvorteil und können durch Anpassung des Luftdrucks in den Kammern benutzerspezifisch angepasst werden, jedoch ist der hyperbolische Verlauf des Kompressionsweges teilweise unvorteilhaft. Anfangs geht sehr viel Federweg verloren mit verhältnismäßig geringer Stoßabsorption verloren, die Steigung der Federkennlinie [s. Anhang] ist also zu Beginn recht niedrig. Gegen Ende des Federwegs, in der Endprogression, ist der hyperbolische Verlauf vorteilhaft, da hierdurch ein „Durchschlagen“ des Federelements verhindert wird. Die Steigung der Federkennlinie ist sehr groß.Although pneumatic air springs have a clear weight advantage and can be customized by adjusting the air pressure in the chambers, the hyperbolic course of the compression path is sometimes disadvantageous. Initially, a lot of spring travel is lost with relatively little shock absorption, the slope of the spring characteristic curve [s. Appendix] is therefore quite low at the beginning. Towards the end of the spring travel, in the final progression, the hyperbolic curve is advantageous as it prevents the spring element from bottoming out. The slope of the spring characteristic is very large.

Metallfedergabeln hingegen weisen bessere Federungseigenschaften auf, da bei herkömmlichen Metallfedern die Kraft proportional zum Federweg ist. Metallfedergabeln sind in der Regel deutlich schwerer als Luftfedergabeln und verfügen nicht über die erwünschte hyperbolische Endprogression. Somit ist die Gefahr, dass die Federgabel durchschlägt, bis zum Ende des Federwegs komprimiert, höher. Dieser sogenannte Durchschlag stellt eine ungewünschte Belastung für Fahrer und Material dar.Metal spring forks, on the other hand, have better suspension properties because with conventional metal springs the force is proportional to the spring travel. Metal suspension forks are usually significantly heavier than air suspension forks and do not have the desired hyperbolic end progression. This means that the risk of the suspension fork bottoming out when it is compressed to the end of its travel is higher. This so-called breakdown puts undesirable stress on the driver and material.

In der Praxis ist eine optimale Federkennlinie somit zu Beginn und in der Mitte möglichst linear und gegen Ende des Federwegs hyperbolisch.In practice, an optimal spring characteristic is as linear as possible at the beginning and in the middle and hyperbolic towards the end of the spring travel.

Der nachteilige Effekt einer Luftfeder im Anfangs- und Mittelteil gegenüber einer Metallfeder wird durch die klaren Vorteile im Endbereich und dem geringen Gewicht mehr als ausgeglichen:

• Es gibt bereits Luftfedergabeln, die über diverse Festkörper-Reibvorrichtungen, Fluidströmungsmechanismen oder ähnliche Vorrichtungen verfügen, um die Federgabel-Kompressionsprogression im Anfangs- und Mittelteil zu verbessern. Die gewünschte Linearisierung ist allerdings nur mäßig.

The disadvantageous effect of an air spring in the beginning and middle parts compared to a metal spring is more than offset by the clear advantages in the end area and the low weight:

• There are already air suspension forks that feature various solid friction devices, fluid flow mechanisms or similar devices to improve the suspension fork compression progression in the beginning and middle sections. However, the desired linearization is only moderate.

Oftmals wird ein pneumatisches System verwendet, indem zwei Druckkammern zum Einsatz kommen, wobei die eine als Positivkammer und die andere als Negativkammer fungiert. Diese Konstellation ist sehr vorteilhaft für die Anfangsprogression, da die Negativkammer das Losbrechmoment senkt, jedoch verschafft dies nicht die gewünschte Linearität.A pneumatic system is often used by using two pressure chambers, one acting as a positive chamber and the other as a negative chamber. This configuration is very advantageous for the initial progression, as the negative chamber reduces the breakaway torque, but this does not provide the desired linearity.

Vorteile und Ziel der ErfindungAdvantages and aim of the invention

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Federgabel mit optimaler Federkennlinie und geringem Gewicht.The aim of the invention is to create a suspension fork with optimal spring characteristics and low weight.

Das geringe Gewicht gegenüber einer Stahlfedergabel wird durch Luft als Federungsmedium erzielt.The low weight compared to a steel spring fork is achieved by using air as a suspension medium.

Unsere Erfindung ermöglicht es trotz des hyperbolischen Verhaltens der Luft einen linearen Verlauf zu bewerkstelligen, welcher im Anfangs- und Mittelbereich erstrebenswert ist. In der Endprogression verhält sich unsere Erfindung gewünscht hyperbolisch, um Durchschläge zu vermeiden.Our invention makes it possible to achieve a linear progression despite the hyperbolic behavior of the air, which is desirable in the initial and middle ranges. In the final progression, our invention behaves hyperbolically in order to avoid breakdowns.

Ein weiterer großer Vorteil der Federvorrichtung ist, dass sich das Federelement auf den Benutzer beziehungsweise auf das zu dämpfende System spezifisch anpassen lässt. Dies ist durch die variable Befüllung der Kammern möglich. Somit bietet das entwickelte System eine sehr große Flexibilität, sodass der Kunde die Federgabel mit geringem Aufwand auf Terrain und Fahrergewicht einstellen kann. Wie die Kammern befüllt werden müssen, um den kundenspezifischen Anforderungen gerecht zu werden, lässt sich mathematisch ermitteln. Hierfür bietet sich die Entwicklung und Bereitstellung einer App an, welche diese Aufgabe übernimmt und den Kunden bei der Wahl der optimalen Vordrücke der einzelnen Kammern unterstützt.Another major advantage of the spring device is that the spring element can be specifically adapted to the user or to the system to be dampened. This is possible thanks to the variable filling of the chambers. The developed system therefore offers a great deal of flexibility, allowing the customer to adjust the suspension fork to the terrain and rider weight with little effort. How the chambers need to be filled to meet customer-specific requirements can be determined mathematically. For this purpose, it is possible to develop and provide an app that takes on this task and supports the customer in choosing the optimal pre-pressures for the individual chambers.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Die Idee unserer Erfindung ist ein Federgabelsystem, in dem nicht nur eine mit Gas befüllte Positiv-Druck-Kammer zum Einsatz kommt, sondern ein System, in welchem mehrere positiv Druckkammern mit spezifisch angepassten Eigenschaften speziell miteinander gekoppelt werden.
Zentral ist dabei, dass die nach außen wirkenden Kräfte der Kammern sich unterscheiden. Die Kammern sind über bewegliche Dichtungen voneinander abgetrennt. Somit unterscheiden sich entweder die Drücke in den Kammern oder die Fläche auf die der Druck wirkt. Wir haben uns auf die Realisierung unterschiedlicher Kräfte mit Druckdifferenzen konzentriert. Somit sind die Kammern mit verschiedenen Drücken befüllt und verfügen über räumliche Begrenzungen, damit sich der Druck nicht ausgleichen kann. Bei einer Erhöhung der Kraft kommen somit stufenweise immer mehr Kammer zum Einsatz. Zu Beginn wird die Kammer mit dem niedrigsten Druck komprimiert, bis ihr Druck dieser Kammer sich auf den Druck der Kammer mit dem nächsthöheren Wert erhöht hat. Die zweite Kammer schaltet sich quasi zu sodass bei weiterer Druckerhöhung beide Kammern gleichzeitig komprimiert werden. Diese Zuschaltung kann mit einer beliebigen Anzahl von Druckkammern erfolgen.
Dies hat zur Folge das der unerwünschte Teil der hyperbolischen Progression gestoppt wird und somit der lineare Verlauf sehr gut nähern lässt, was sich in unseren Forschungsergebnissen sowohl mathematisch/ physikalisch, sowie experimentell zeigen ließ.The idea of our invention is a suspension fork system in which not only a positive pressure chamber filled with gas is used, but a system in which several positive pressure chambers with specifically adapted properties are specifically coupled to one another.
What is central is that the outward forces of the chambers differ. The chambers are separated from each other by movable seals. This means that either the pressures in the chambers or the area on which the pressure acts differ. We focused on realizing different forces with pressure differences. The chambers are therefore filled with different pressures and have spatial limitations so that the pressure cannot equalize. As the force increases, more and more chambers are gradually used. Initially, the chamber with the lowest pressure is compressed until its pressure in that chamber has increased to the pressure of the chamber with the next highest value. The second chamber switches on virtually closed so that if the pressure increases further, both chambers are compressed at the same time. This connection can be done with any number of pressure chambers.
The result of this is that the undesirable part of the hyperbolic progression is stopped and the linear course can therefore be approximated very well, which was shown in our research results both mathematically/physically and experimentally.

1 und3 stellt eine mögliche Verwendung dieses Federungssystems in einer Vorderradfedergabel für Fahrräder oder Motorräder dar. Sie verfügt über klassische Merkmale, wie einen Gabelschaft [2] zum Befestigen der Gabel am Lenkkopf [1], eine Gabelkrone [3], zwei Gabelholme [4], die in zwei Standbeine [5] führen, an denen das Laufrad [18] befestigt ist. In2 ist eine typische Hinterradfederung [20] dargestellt, mit einem Standrohr [5] und einem Holm [4] und jeweils einer Befestigungsvorrichtung an beiden Enden für die Montage am Rahmen und an der Schwinge [19]. In4 ist das patentierende Konzept, welches aus der Kopplung der einzelnen Kammern hervorgeht und zur Linearisierung dient, dargestellt. Es ist nur eine Seite der Federgabel dargestellt, da üblicherweise eine Seite die Federungselemente enthält und die andere die Dämpfungsvorrichtung. Die Federungsvorrichtung verfügt natürlich über einen Holm, welcher in das Standrohr [5] ein federn kann, einen klassischen Staubabstreifer [14] und einer Holmführung [13], um eine bessere Stabilität zu gewährleisten. Die einzelnen Kammern werden über das Autoventil [6] und einen speziellen Mechanismus entweder einzeln (vgl.7) oder anteilig (vgl.6) befüllt, um unterschiedliche Anfangsdrücke zu realisieren, welche von oben nach unten geringer werden. Es bedarf räumlichen Begrenzungen [9], welche die beweglichen Dichtungen [8] davon abhalten sich nach unten zu bewegen und den Überdruck in den oberen Kammern auszugleichen. Zusätzlich ergänzend zu dieser Vorrichtung gibt es unten die Negativkammer [12], welche sich über einen allgemein bekannten Mechanismus im (fast) ausgefahrenen Zustand selbst befüllt.1 and 3 represents a possible use of this suspension system in a front suspension fork for bicycles or motorcycles. It has classic features such as a fork shaft [2] for attaching the fork to the steering head [1], a fork crown [3], two fork legs [4], the into two supporting legs [5] to which the impeller [18] is attached. In 2 A typical rear wheel suspension [20] is shown, with a standpipe [5] and a spar [4] and a fastening device at both ends for mounting on the frame and on the swingarm [19]. In 4 The patented concept, which results from the coupling of the individual chambers and is used for linearization, is shown. Only one side of the suspension fork is shown, since one side usually contains the suspension elements and the other the damping device. The suspension device naturally has a spar that can spring into the standpipe [5], a classic dust wiper [14] and a spar guide [13] to ensure better stability. The individual chambers are activated either individually via the car valve [6] and a special mechanism (cf. 7 ) or proportionately (cf. 6 ) filled in order to realize different initial pressures, which decrease from top to bottom. There is a need for spatial limitations [9] that prevent the movable seals [8] from moving downwards and balancing the excess pressure in the upper chambers. In addition to this device, there is the negative chamber [12] at the bottom, which fills itself in the (almost) extended state using a well-known mechanism.

Bei der Kompression der Gabel bleibt das Standrohr an Ort und Stelle und somit auch der Kolben. Wenn nun der Holm in das Standrohr ein federt wird zuerst Kammer 1 komprimiert. Sobald sie denselben Druck wie Kammer 2 erreicht fängt diese an sich ebenfalls zu komprimieren. Dasselbe geschieht mit Kammer 3.When the fork is compressed, the standpipe stays in place and so does the piston. When the spar now springs into the standpipe,chamber 1 is compressed first. As soon as it reaches the same pressure aschamber 2, it also begins to compress. The same happens withchamber 3.

Für die Befüllung sind drei Möglichkeiten zweckmäßig. Die Erste ist in4 dargestellt. Hier wird über ein Mittelrohr eine Verbindung zu allen drei Kammern ermöglicht. Über den Drehmechanismus, welcher in7 dargestellt ist, kann somit eine spezifische Verbindung zu einer einzelnen Kammer gewährleistet werden, damit diese mit ausgewählten Drücken befüllt werden kann.
Möglichkeit 2 ist eine spezifische Befüllung von außen (siehe5) über eine Luftröhre, welche außen entlangläuft und über ein Klappensystem oder wiederum einen Drehmechanismus die Verbindung zu den einzelnen Kammern bereitstellt.
Möglichkeit 3 ist die einfachste/preisgünstigste und in6 dargestellt. Hier wird nur die oberste Kammer mit dem höchsten Druck befüllt und die unteren Kammern werden mit Hilfe von Differenzialdruckventilen ebenfalls anteilig befüllt. Hierdurch ist keine individuelle und spezielle Befüllung möglich, allerdings ist dies für den Laien oder nur leicht fortgeschrittenen Fahrer komplett ausreichend.There are three options for filling. The first is in 4 shown. A connection to all three chambers is made possible via a central pipe. About the rotating mechanism, which in 7 is shown, a specific connection to an individual chamber can be ensured so that it can be filled with selected pressures.
Option 2 is a specific filling from the outside (see 5 ) via a trachea, which runs along the outside and provides the connection to the individual chambers via a valve system or a rotating mechanism.
Option 3 is the simplest/cheapest and in 6 shown. Here only the top chamber is filled with the highest pressure and the lower chambers are also filled proportionately with the help of differential pressure valves. This means that no individual and special filling is possible, but this is completely sufficient for the layman or only slightly advanced driver.

Glossar:Glossary:

11

Lenkkopfsteering head

22

GabellschaftFork shaft

33

GabelkopfClevis

44

GabelholmFork leg

55

GabelstandbeinFork leg

66

Befüll-VorrichtungFilling device

77

LuftkammerAir chamber

88th

Dichtungpoetry

99

BegrenzungLimitation

1010

MittelrohrCenter tube

1111

KolbenPistons

1212

Negativkammernegative chamber

1313

Holmführungspar guide

1414

StaubabstreiferDust wiper

1515

DifferenzialdruckventilDifferential pressure valve

1616

AutoventilCar valve

1717

Befüll-KlappenFilling flaps

1818

LaufradWheel

1919

HinterradschwingeRear swing arm

2020

HinterraddämpferRear shock

2121

Kammer 1, positiv p₀(Kammer 1) < p₀(Kammer 2) < p₀(Kammer 3)Chamber 1, positive p₀ (chamber 1) < p₀ (chamber 2) < p₀ (chamber 3)

2222

Kammer 2, positiv p₀(Kammer 1) < p₀(Kammer 2) < p₀(Kammer 3)Chamber 2, positive p₀ (chamber 1) < p₀ (chamber 2) < p₀ (chamber 3)

2323

Kammer 3, positiv p₀(Kammer 1) < p₀(Kammer 2) < p₀(Kammer 3)Chamber 3, positive p₀ (chamber 1) < p₀ (chamber 2) < p₀ (chamber 3)

2424

Inneres Befüll-RohrInner filling pipe

2525

Äußeres Befüll-RohrExternal filling pipe

2626

Rädchencogs

2727

Kreisringförmige Dichtung mit Aussparung für das innere Befüll-Rohr [24] in der MitteCircular seal with recess for the inner filling pipe [24] in the middle

Claims (10)

Translated fromGerman

Pneumatisches Federungselement (beispielsweise für Fahrräder oder Motorräder), bestehend aus mindestens einer Federungseinheit und einer Dämpfungseinheit,dadurch gekennzeichnet, dass das Federungselement aus zwei teleskopartig ineinander verschiebbaren Rohren besteht [4,5].Pneumatic suspension element (for example for bicycles or motorcycles), consisting of at least one suspension unit and one damping unit,characterized in that the suspension element consists of two telescopically movable tubes [4,5].Federungselement nachAnspruch 1dadurch gekennzeichnet, dass es als Vorderradgabel für ein Fahrrad fungiert und somit über einen Gabelkopf [3] und einem Gabelschaft [2] verfügt, um eine Befestigung am Lenkkopf [1] des Fahrrades zu ermöglichen, und zwei Gabelrohre hat, um die beidseitige Befestigung des Vorderrades [18] zu ermöglichen.Suspension element after Claim 1characterized in that it functions as a front wheel fork for a bicycle and thus has a fork head [3] and a fork shaft [2] to enable attachment to the steering head [1] of the bicycle, and has two fork tubes to enable the attachment on both sides front wheel [18].Vorderradgabel nachAnspruch 1dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Kammern über ein Innenrohr verbunden sein können, über das die einzelnen Luftkammern mithilfe eines speziellen Mechanismus, wie beispielsweise einem Drehmechanismus [s. Anhang] befüllt werden können.Front fork forward Claim 1characterized in that the individual chambers can be connected via an inner tube, via which the individual air chambers are connected using a special mechanism, such as a rotating mechanism [s. Appendix] can be filled.Vorderradgabel nachAnspruch 1dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Kammern befüllt werden können, indem die oberste Kammer mit dem höchsten erwünschten Druck befüllt wird und die restlichen Kammern aufgrund von Differentialdruckventilen [15] ebenfalls anteilig befüllt werden.Front fork forward Claim 1characterized in that individual chambers can be filled by filling the top chamber with the highest desired pressure and also filling the remaining chambers proportionately due to differential pressure valves [15].Vorderradgabel nachAnspruch 1dadurch gekennzeichnet, dass die Luft Befüllung durch eine, beziehungsweise mehrere außen entlang leitende Luftröhren geschieht, die mithilfe eines speziellen Mechanismus einzelne Kammern befüllen.Front fork forward Claim 1characterized in that the air is filled through one or more tracheae running along the outside, which fill individual chambers using a special mechanism.Federungselement nachAnspruch 1dadurch gekennzeichnet, dass es als Hinterraddämpfer für ein Fahrrad fungiert und somit an den Enden über Befestigungsaufnahmen verfügt, um die Befestigung an Rahmen und Hinterradschwinge [19] zu ermöglichen.Suspension element after Claim 1characterized in that it functions as a rear wheel damper for a bicycle and therefore has fastening receptacles at the ends to enable attachment to the frame and rear wheel swing arm [19].Federungselement nachAnspruch 1dadurch gekennzeichnet, dass es über mehr als zwei einzelne pneumatische Federungseinheiten, also beispielsweise Luftkammern [21,22,23,12], verfügt, welche unterschiedliche Kräfte auf die Dichtungen ausüben, beispielsweise durch unterschiedliche Drücke.Suspension element after Claim 1characterized in that it has more than two individual pneumatic suspension units, for example air chambers [21,22,23,12], which exert different forces on the seals, for example through different pressures.Federungselement nachAnspruch 1dadurch gekennzeichnet, dass Hydraulik-, Metallfederkopplungs- sowie Festkörperreibsysteme als Ergänzung zuAnspruch 2 dienen könnenSuspension element after Claim 1characterized in that hydraulic, metal spring coupling and solid friction systems supplement Claim 2 can serveFederungselement nachAnspruch 1dadurch gekennzeichnet, dass es über mehrere Federungseinheiten (beispielsweise eine Luftkammer) verfügt, welche jeweils eine räumliche Begrenzung [9] haben, sodass der Druck nicht unter einen bestimmten voreingestellten Wert (Anfangsdruck) fallen kann.Suspension element after Claim 1characterized in that it has several suspension units (for example an air chamber), each of which has a spatial limitation [9] so that the pressure cannot fall below a certain preset value (initial pressure).Federungselement nachAnspruch 1dadurch gekennzeichnet, dass es über mehrere Federungseinheiten verfügt, welche (beispielsweise mit beweglichen Dichtungselementen [8]) so gekoppelt sind, dass bei der Kompression kein Stoffaustausch möglich ist, aber Drücke ausgeglichen werden können.Suspension element after Claim 1characterized in that it has several suspension units which are coupled (for example with movable sealing elements [8]) in such a way that no mass exchange is possible during compression, but pressures can be equalized.

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