DE19531804A1 - Gedämpfte Vorderradfederung für Fahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine gedämpfte Vorderradfederung mit Bremseinfe­ derungsausgleich für Fahrzeuge, insbesondere für Zwei- und Dreiräder.

Vorderradfederungen erhöhen die Fahrsicherheit und verbessern den Fahr­ komfort. Beim Überfahren von Hindernissen (wie Bordsteinkanten, Quer­ rillen) mit höherer Geschwindigkeit verlieren ungedämpfte Räder schnell den Bodenkontakt, was zu schlechtem Handling, gestörter Kurvenführung und verlängerten Bremswegen führt; außerdem belasten Stöße und Vibrati­ onen Gelenke und Muskulatur des Fahrers. Trotz positiver Wirkung von bekannten Vorderradfederungen in diesen Bereichen stellen Bremsvorgänge ein gravierendes Problem dar: Durch das Bremsmoment wirkt eine erhöhte Belastung auf das Vorderrad, das Federsystem federt ein, und die Fahr­ zeugfront taucht ab. Dieser Bremseinfederungsprozeß kann den verfüg­ baren Federweg auf Null vermindern und Stöße ungefiltert durchschlagen lassen. Im ungünstigsten Fall kann die Fahrzeuggeometrie temporär so verändert werden, daß es zum Überschlag kommt.

Diverse Vorderradfederungssysteme werden angeboten. Bei allen Systemen wird der verfügbare Federweg aufgrund einer fehlenden Einfederungskom­ pensation beim Bremsen drastisch vermindert. Ein aufwendiges Vierge­ lenksystem mit trapezförmiger Achsaufhängung, das in G 94 03 640.3 angeboten wird, bietet zwar einen Einfederungsausgleich, doch sind hohes Gewicht und aufwendige Wartung der vielen beweglichen Teile von Nachteil. Übliche Federelemente sind zum Beispiel Metallfedern, Poly­ merblöcke, Verbundwerkstoff- oder Gasdruckfedern. Dämpfend wirken üblicherweise Ölhydrauliken und Polymerblöcke.

Aufgabe der Erfindung ist, eine ein- oder zweiseitige, wirkungsvoll gefederte, unkomplizierte und wartungsarme Vorderradführung mit Brems­ einfederungsausgleich und langen Federwegen zu realisieren. Wünschens­ wert sind lastabhängig unterschiedliche Einfederungsrichtungen des Vorderrades. Außerdem soll die gefederte Vorderradführung ein niedriges Losbrechmoment und hohe Verwindungssteifigkeit besitzen.

Gegenstand der Erfindung ist eine ein- oder zweiseitige Vorderradfüh­ rung. Das Vorderrad ist bevorzugt mit einem Scheibenbremssystem ausge­ stattet (Fig. 1). Die in sich starre Schwinge (2) ist im Drehgelenk (3) mit dem Gabelholm (1), im Drehgelenk (4) mit der Vorderradachse verbun­ den. Der Bremssattel (6) der Scheibenbremse ist bevorzugt starr mit der Schwinge (2) verbunden. Wird ein anderes Bremssystem als eine Scheiben­ bremse verwendet, so ist der Bremssystemstator als Bremskraftüberträger direkt oder mittels Verbindungselement bevorzugt starr mit der Schwinge (2) verbunden. Falls das Federelement nicht im Gelenk (3) integriert ist, wird das Federelement (9) bevorzugt über eine Stange (8) ange­ lenkt, die im Anlenkpunkt (7) mit der Schwinge (2) und im Anlenkpunkt (10) mit Gabelholm (1) oder Gabelbrücke (11) drehbar verbunden ist. Der Abstand des Anlenkpunktes (7) von den Gelenken (3) und (4) hängt in der Praxis von Eigenschaften und Bauform des gedämpften Federelementes (9) ab; durch Variation des Abstands kann das Federverhalten der Einheit ohne Austausch des Federelementes (9) verändert werden. Das Federele­ ment (9) selbst kann aufgrund der guten Zugänglichkeit mit wenigen Handgriffen gewechselt werden, bei Bedarf zusammen mit der Anlenkstange (8). Die Konstruktion erlaubt den wahlweisen Einbau unterschiedlicher, handelsüblicher Federelemente. Durch Verwendung von Federelementen mit linearer oder progressiver Federkennlinie wird die gefederte Radführung auf den individuellen Anspruch abgestimmt (zum Beispiel Straßen- oder Geländeeinsatz). Das Federsystem wird durch die Eigengewichtskraft von Fahrzeug und Nutzlast vorgespannt, wobei die Gerade durch (3) und (4) bevorzugt parallel zur Fahrebene ausgerichtet ist (Ruhezustand).

Ein Bremsprozeß bewirkt eine intrinsisch erhöhte Vorderradbelastung. Bei Betätigung des Bremssystems wird über den Bremssystemstator eine komplexe Kraft im Schwingensystem erzeugt und in den Gabelholm abge­ leitet, die der nach unten gerichteten Kraft der Bremslast, die das unerwünschte Bremseinfedern auslöst, entgegengerichtet ist. Dem Brems­ einfedern wird damit aktiv entgegengewirkt.

Bei einer plötzlichen Stoßbelastung, wie sie beim Überfahren eines kon­ vexen Hindernisses (Stein, Wurzel) auftritt, federt das System gegen die Fahrtrichtung ein, wobei sich die Vorderradachse auf die Gabel­ brücke zubewegt. Neben konvexen Hindernissen, die zum Abfedern diesen sogenannten positiven Federweg benötigen, bewirken konkave Hindernisse (Schlaglöcher, Rinnen) beim Überfahren eine temporäre Entlastung. Die Aufrechterhaltung des Bodenkontaktes wird durch Ausfedern des Systems ermöglicht, über einen abgestimmten Negativ-Federweg auch aus dem Ruhezustand heraus (das Vorderrad bewegt sich von der Gabelbrücke weg). Die Konstruktion ermöglicht in beiden Fällen aus dem Ruhezustand heraus eine Radauslenkung gegen die Fahrtrichtung; hoher Fahrkomfort, verbes­ sertes Lenkverhalten und erhöhte Sicherheit werden erreicht. Die Erfin­ dung ermöglicht die Nutzung einer vorteilhaften, nichtlinearen Feder­ wegsgeometrie. Die Radauslenkung setzt sich hier aus einer Vertikal- und einer Horizontalkomponente zusammen; der effektiv nutzbare Federweg ist somit stets größer als die Vertikalauslenkung. Zu Beginn eines Ein­ federungsprozesses überwiegt der Vertikalanteil. Mit zunehmender Last verschieben sich die Anteile zugunsten der Horizontalbewegung. In der Praxis bewirkt eine solche, permanente, lastabhängige Änderung der Ein­ federungsrichtung ein subjektiv angenehmes, weiches Abfedern von Stößen selbst unter Einwirkung hoher Lasten, was gerade bei starken, schnell aufeinander folgenden Stößen von Vorteil ist. Gängige, lineare Feder­ wegsgeometrien weisen über den ganzen Federweg konstante Horizontal- und Vertikalanteile auf und erzeugen in der Praxis beim Überfahren konvexer Hindernisse subjektiv das unangenehme Gefühl eines Aufpralls.

Entscheidende Vorteile der Erfindung liegen im aktiven Bremseinfede­ rungsausgleich, in den zahlreichen Abstimmungsmöglichkeiten des Feder­ systems und - besonders gegenüber bekannten Viergelenktrieben - im geringen Gewicht, vereinfachter Wartung und aufgrund der verminderten Anzahl beweglicher Teile in einer erwartungsgemäß geringen Störanfäl­ ligkeit. Die Zweigelenkkonstruktion ermöglicht den optionalen Einbau von mehr als einem Federelement. Die Variante in Form der zweiseitigen Vorderradführung eignet sich hervorragend zum Einsatz unter sehr hohen Belastungen. Großzügig dimensionierbare Federwegslängen werden verbun­ den mit einer vorteilhaften, nicht-linearen Federwegsgeometrie. Der Negativfederwege erhöht Fahrkomfort und Sicherheit. Federelemente kön­ nen durch die freie Zugänglichkeit einfach und schnell gewechselt wer­ den. Vorteilhaft ist das niedrige Losbrechmoment und die hohe Verwin­ dungssteifigkeitvorteilhafte der Zweigelenkkonstruktion.

Sieben Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

1. Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel bei Verwendung einer Brems­ scheibe (5) und eines Federelementes (9) mit Druckfeder- und Zugdämp­ ferstufe. Der Anlenkpunkt (7) für das Federelement ist zwischen den Drehpunkten (3) und (4) oberhalb des Bremssattels (6) auf der Schwinge (2) positioniert und liegt auf der Geraden durch diese beiden Punkte. Die Strecke zwischen den Drehpunkten (3) und (4) wird so im Verhältnis 1 : 1 geteilt. Bei einer Drehung der Schwinge um den Drehpunkt (3) legt der Drehpunkt (4) eine Strecke zurück, die genau doppelt so lang wie der zurückgelegte Weg des Anlenkpunktes (7) ist. Damit beträgt der Schwingenhebel 1 : 2. Der zweite Anlenkpunkt (10) liegt auf dem Gabelholm (1) in der Nähe der Gabelbrücke (11). Das Federelement (9) wird mög­ lichst weit entfernt von der Schwinge über eine Stange (8) in der Nähe des Anlenkpunktes (10) angelenkt. Diese Variante eignet sich besonders gut für sportlich genutzte Zweiräder im Straßeneinsatz und hohe Geschwindigkeiten.

2. Fig. 2 zeigt eine Ausführungsvariante bei Verwendung Bremsscheibe (5) und eines Federelementes (9) mit Druckfeder- und Zugdämpferstufe. Der Bremssattel (6) ist fest mit der Schwinge (2) verbunden. Um ein ungehindertes Ausschwingen der Schwinge zu gewährleisten, wird ein Gabelholm (1) verwendet, der entgegen der Fahrtrichtung gebogen ist. Der Anlenkpunkt (7) für das Federelement (9) ist zwischen den Drehpunk­ ten (3) und (4) auf der Schwinge positioniert und liegt auf der Geraden durch diese Punkte. Der Schwingenhebel beträgt 1 : 2. Die Anlenkstange (8) verbindet Federelement und Anlenkpunkt (10), der auf dem Gabelholm in der Nähe der Gabelbrücke (11) liegt. Um Verschmutzung des Federele­ mentes (9) zu minimieren, ist dieses möglichst nahe an der Schwinge (2) 40 gelagert. Zur Gewichtseinsparung besitzt die Schwinge (2) zwischen Bremssattel (6) und Drehpunkt (3) eine konkave Aussparung. Diese Vari­ ante eignet sich besonders für leichte, belastbare Geländefahrzeuge, wie zum Beispiel Mountainbikes im Cross-Country-Einsatz.

3. Fig. 3 zeigt eine Ausführungsvariante bei Verwendung einer Brems­ scheibe (5) und eines Federelementes (9) mit Zugfeder- und Druckdämp­ ferstufe. Anlenkpunkt (7) für das Federelement ist auf der Geraden durch die beiden Drehpunkte (3) und (4) entgegen der Fahrtrichtung hin­ ter (3) auf der länglichen Schwinge (2) positioniert. Der Schwingenhe­ bel ergibt sich aus dem Verhältnis der Längen der Strecken zwischen den Punkten (7) und (3) und den Punkten (3) und (4) und beträgt 2 : 3. Der Bremssattel (6) befindet sich unterhalb der Strecke durch (3) und (4) und ist fest mit der Schwinge verbunden. Um Verschmutzung des Federele­ mentes zu minimieren, ist das Federelement möglichst nahe der Schwinge im unteren Bereich des Gabelholms (1) angebracht. Die Anlenkstange (8) ist über den Anlenkpunkt (10) mit der Gabelbrücke (11) verbunden. Die Variante eignet sich besonders für belastbare Geländefahrzeuge, wie zum Beispiel Leichtkrafträder oder Mountainbikes im Cross-Country-Einsatz.

4. Fig. 4 zeigt eine Ausführungsvariante Bremsscheibe (5), drei poten­ tiellen Anlenkpunkten (7a, 7b, 7c) und Bremssattel (6) auf der Schwinge (2) und einem Federelement (9) mit Druckfeder- und Zugdämpferstufe. Die Anlenkpunkte (7a, 7b, 7c) sind zwischen den Drehpunkten (3) und (4) auf der Schwinge positioniert und liegen auf der Geraden durch diese beiden Punkte. Damit stehen drei unterschiedliche Schwingenhebel zur Auswahl: 1 : 4 bei Position (7c), 1 : 2 bei Position (7b) und 3 : 4 bei Position (7a).

Die Federeigenschaften können auf diese Weise ohne Wechsel des Feder­ elementes durch Umstecken der Stange (8) verändert werden. Der zweite Anlenkpunkt (10) liegt auf dem Gabelholm (1) in einer Entfernung zu (4), die bevorzugt dem Vorderradradius entspricht. Der Gabelholm (1) ist unterhalb der Gabelbrücke (11) s-förmig gebogen, um ein ungehinder­ tes Ausschwingen des Schwingensystems zu ermöglichen. Das Federelement ist zum Schutz vor Schmutz in einer Entfernung zum Drehpunkt (4) ange­ ordnet, die ungefähr dem halben Vorderradradius entspricht. Die Varian­ te eignet sich besonders für belastbare Zweiräder und ist aufgrund der Einstellmöglichkeiten anwendbar, wo eine schnelle, problemlose Regulie­ rung der Federeigenschaften gewünscht wird.

5. Fig. 5 zeigt eine Ausführungsvariante mit Bremsscheibe (5) und zwei parallel arbeitenden Federelementen (9a, 9b), die jeweils mit Druckfe­ der- und Zugdämpferstufe versehen sind und über zwei Stangen (8a, 8b) angelenkt werden. Zwei Anlenkpunkte (7a, 7b) liegen oberhalb des Brems­ sattels (6) auf der Schwinge (2) zwischen den Drehpunkten (3) und (4), die Anlenkpunkte (10a, 10b) sind übereinander auf dem Gabelholm (1) un­ terhalb der Gabelbrücke (11) angeordnet. Der Schwingenhebel für das Fe­ derelement (9a) beträgt 3 : 4, der des Federelements (9b) 1 : 4. Durch den Einbau gleichartiger oder unterschiedlicher Federelemente können die Federeigenschaften außergewöhnlich fein abgestimmt werden. Gleichzei­ tig ermöglicht diese Variante den Einsatz der Vorderradfederung unter hohen Belastungen, wie sie zum Beispiel im schweren Gelände, bei Hoch­ geschwindigkeitsfahrten oder hohen Vorderachslasten auftreten.

6. Fig. 6 zeigt eine zweiseitige Radführung mit doppelter Scheibenbrem­ se (zwei Bremsscheiben (5a, 5b) und zwei Bremssättel (6a, 6b)) und dop­ peltem Schwingen-Federelement-System bei Verwendung von Federelementen (9a, 9b) mit jeweils einer Druckfeder- und Zugdämpferstufe. Die Anlenk­ punkte (7a, 7b) für die Federelemente sind zwischen den Drehpunkten (3a) und (4a) bzw. (3b) und (4b) auf der jeweiligen Schwinge (2a, 2b) positioniert. Die Federelemente werden über Stangen (8a, 8b) angelenkt. Der Schwingenhebel beträgt beidseitig 1 : 2. Die Anlenkpunkte (10a, 10b) liegen auf den Gabelholmen (1a, 1b) nahe der Gabelbrücke (11). Die Fe­ derelemente (9a, 9b) sind ebenfalls möglichst nahe der Gabelbrücke (11) angeordnet. Die Gabelholme sind im Pendelbereich der Schwingen zum Laufrad hin abgeflacht, um Berührungen zwischen Schwingenbauteilen und Gabelholmen zu verhindern. Die Gabelholme liegen nahe am Laufrad, wo­ durch Hebelkräfte minimiert werden. Je nach Einsatzzweck können gleiche oder unterschiedliche Federelemente verwendet werden, die Federeigen­ schaften lassen dich außergewöhnlich fein abstimmen. Diese Ausfüh­ rungsvariante eignet sich besonders zum Einsatz unter extrem hohen Be­ lastungen, wie sie zum Beispiel bei Hochgeschwindigkeits-Geländefahrten (Mountainbike-Downhill) im schweren Gelände oder bei motorgetriebenen Fahrzeugen im Geländeeinsatz auftreten können. Im Straßeneinsatz ist das System unter hohen Vorderachslasten stabil und auch hier für motor­ getriebene Fahrzeuge verwendbar (zum Beispiel auch Trikes).

7. Fig. 7 zeigt eine Ausführungsvariante bei Verwendung eines Trommel­ bremssystems. Das Federelement (9) verfügt über Druckfeder- und Zug­ dämpferstufe. Die Bremstrommel (5) dreht sich um den Trommelbremsen­ stator (12), der im Punkt (6) mit der Schwinge (2) verbunden ist. Der Anlenkpunkt (7) für das Federelement mit Anlenkstange (8) ist zwischen den Drehpunkten (3) und (4) auf der Schwinge positioniert und liegt auf der Geraden durch diese beiden Punkte. Der Schwingenhebel beträgt 1 : 2. Der zweite Anlenkpunkt (10) liegt auf dem Gabelholm (1) in der Nähe der Gabelbrücke (11). Das Federelement ist in der Nähe des Anlenkpunktes (10) angeordnet. Je nach Dimensionierung der Trommelbremse sind unter­ schiedliche Belastungsgrade möglich. Das kostengünstige Bremssystems ermöglicht den Einbau dieser Variante auch in Fahrzeuge der unteren Preisregionen.

8. Fig. 8 zeigt eine Variante mit Bremsscheibe (5) und einem Feder­ system (7), das in das Drehgelenk (3) integriert ist. Der Gabelholm (1) ist unterhalb der Holmarretierung (8) s-förmig gebogen, um ein weites Auslenken der Schwinge (2) zu ermöglichen, auf der sich neben den Dreh­ punkten (3) und (4) auch der Bremssattel (6) befindet. Diese Variante zeichnet sich durch guten Schutz des Federelementes vor Verschmutzung, durch minimale Zahl bewegter Teile und damit durch Wartungsfreundlich­ keit aus. Für hohe Belastungen (motorgetriebene Fahrzeuge, Geländeein­ satz, hohe Geschwindigkeiten) können großzügig dimensionierte Lager verwendet werden. Das Einsatzspektrum ist außergewöhnlich breit und reicht von muskelkraft- bis zu motorgetriebenen Fahrzeugen.

Claims (14)

1. Ein- oder zweiseitige, gefederte Vorderradführung mit Bremseinfede­ rungsausgleich für Fahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schwinge (2), mit der bevorzugt ein Bremssystemstator fest verbunden ist, über zwei Drehpunkte (3) und (4) Vorderradachse und Gabelholm (1) verbindet und mindestens ein gedämpftes oder ungedämpftes Federelement (9) von der Schwinge aus angelenkt wird.

2. Vorderradführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein gedämpftes oder ungedämpftes Federelement (9) bevor­ zugt mittels Anlenkstange (8) über mindestens einen Anlenkpunkt (10) bevorzugt Gabelholm (1) oder Gabelbrücke (11) mit der Schwinge (2) verbindet.

3. Vorderradführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese bevorzugt mit mindestens einem Scheibenbremssystem ausgestat­ tet ist.

4. Vorderradführung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bremssattel (6) der Scheibenbremse bevorzugt fest mit der Schwinge (2) verbunden ist.

5. Vorderradführung nach Anspruch 1,3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremsscheibe (5) der Scheibenbremse bevorzugt über ein Schnell-
kupplungssystem mit dem Laufrad verbunden ist.

6. Vorderradführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese mit mindestens einem Trommelbremssystem ausgestattet ist.

7. Vorderradführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Federelement (9) einzeln oder zusammen mit der An­ lenkstange (8) ausgewechselt werden kann.

8. Vorderradführung nach Anspruch 1, 3 und 4, mit einem Bremssattel (6), der über dem Kreisbogen der Bremsscheibe positioniert wird, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Position des Bremssattels bevorzugt über dem Kreisbogen­ segment befindet, das eingeschlossen wird, wenn ein Winkel von 0° bis 90° gegen die Fahrtrichtung im Drehpunkt (4) relativ zur Geraden durch die Drehpunkte (3) und (4) abgetragen wird.

9. Vorderradführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im ausgefederten, unbelasteten System der von den Drehpunkten (4), (3) und (10) eingeschlossene Winkel bevorzugt 80° bis 120° beträgt.

10. Vorderradführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel, der von der Strecke zwischen den Drehpunkten (4) und (3) und dem durch den Drehpunkt (4) gefällten Lot eingeschlossen wird, im ausgefederten, unbelasteten System bevorzugt 60° bis 120° beträgt.

11. Vorderradführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Ruhezustand - also in einem Zustand, in dem nur die Summe der Gewichtskräfte von Fahrzeugeigengewicht, Fahrergewicht und Nutzlast anteilmäßig auf das Vorderrad wirken - der von der Strecke zwischen den Drehpunkten (4) und (3) und dem durch den Drehpunkt (4) gefällten Lot eingeschlossene Winkel bevorzugt 80° bis 100° beträgt.

12. Vorderradführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei vollständig eingefedertem Vorderrad die Strecke zwischen den Drehpunkten (4) und (3) bevorzugt parallel zu dem durch den Drehpunkt (4) gefällten Lot ausgerichtet ist.

13. Vorderradführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese mit einem Federsystem ausgerüstet ist, das bevorzugt in das Drehgelenk (3) integriert ist.

14. Vorderradführung nach Anspruch 1, mit einem verstellbaren Feder­ system, dadurch gekennzeichnet, daß durch Variation des Abstands des Anlenkpunktes (7) zum Drehpunkt (3) eine Abstimmung auf spezifische Eigenschaften des Federelementes und auf individuell erwünschte Federcharakteristika möglich ist.