DE10123381B4

DE10123381B4 - Aktive Hinterradgabel für Zweiräder

Info

Publication number: DE10123381B4
Application number: DE2001123381
Authority: DE
Inventors: Alexander Horoschenkoff
Original assignee: Individual
Current assignee: Storck Bicycle De GmbH
Priority date: 2001-05-14
Filing date: 2001-05-14
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2021-05-15
Also published as: DE10123381A1

Abstract

Aktive Hinterradgabel mit regelbaren Dämpfungseigenschaften für Zweiräder, wobei das Zweirad
– einen Sitz, Lenker und Antrieb aufnehmenden steifen Rahmen (1), an dem eine Regeleinheit (4) und eine einen Energiespeicher aufweisende Energieeinheit (5) befestigt ist, und
– fahrdynamische Größen erfassende Sensoren (2i, 2h), die mit der Regeleinheit (4) in Verbindung stehen, wobei die Regeleinheit (4) in Verbindung mit der Energieeinheit (5) aktive Elemente zur Dämpfungsregelung ansteuert,
aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
– eine biegeweich ausgebildete Hinterradgabel (2) aus Verbundwerkstoff mit aktiven Dämpfungsschichten in Form von elektrisch kontaktierten piezoelektrischen oder dielektrischen Schichten (2b, 2c) besteht,
– die Energieeinheit (5) weiterhin einen regelbaren elektrischen Widerstand (5c) und einem Spannungswandler (5b) aufweist,
– durch die Regeleinheit (4) in Verbindung mit der Energieeinheit (5) Bewegungsenergie aus den Dämpfungsschichten (2b, 2c) der Hinterradgabel entnehmbar und speicherbar ist,
– durch die Regeleinheit (4) in Verbindung mit der Energieeinheit (5) die...

Description

Die Erfindung betrifft eine Hinterradgabel für Zweiräder gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches. Es ist bekannt, bei Zweiräder Hinterradgabeln aus Faserverbundwerkstoff zu verwenden ( DE 43 27 459 A1 , US Patent 4,856,801). Ebenso sind adaptive Dämpfersysteme mit Hilfsblattfedern ( DE 4108905 A1 ) bekannt. Diese Hinterradgabeln weisen jedoch keine aktiven Dämpfungsschichten in Form von elektrisch kontaktierten piezoelektrischen oder dielektrischen Schichten auf. Ebenso sind für Zweiräder Federelemente bekannt, bei denen durch die Bewegung des Federelements ein elektrischer Energiespeicher aufgeladen wird. Hinweise auf eine Dämpfereinstellung als möglicher Verbraucher der gespeicherten Energie sind jedoch nicht entnehmbar ( DE 19910057 A1 ).

Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die am Hinterrad erzeugten Schwingungsanregungen auf den Fahrer durch ein Feder-/Dämpfersystem zu reduzieren, bei dem die Energie der Schwingungsanregung zur Regelung der Dämpfereinstellung genutzt wird.

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Die Hinterradgabel besteht aus aktivem Verbundwerkstoff, der aus hochfesten Verstärkungsfasern, wie Glas- oder Kohlestofffasern, und aus piezoelektrischem bzw. dielektrischem Dämpfungsmaterial aufgebaut ist. Das piezoelektrische Material ist über ein elektrisch leitendes Netzwerk kontaktiert. Durch die Schwingungsanregung beim Fahren wird die biegeweiche Hinterradgabel bewegt und gedehnt. Dadurch werden zum einen die hochfesten Verstärkungsfasern beansprucht und zum anderen das piezoelektrische Dämpfungsmaterial gedehnt. Dabei wird aufgrund des piezo- bzw. dielektrischen Effekts elektrische Energie erzeugt, die über die Kontaktierung und dem einstellbaren elektrischen Widerstand der Energieeinheit abgeführt werden kann, wodurch eine Dämpfungswirkung an der Hinterradgabel erzeugt wird. Das Piezomaterial kann abschnittsweise angesteuert werden und der Zeitpunkt der Ansteuerung durch die Regeleinheit bestimmt werden.

Zudem kann dem piezoelektrischen Material über die Energie- und Regeleinheit elektrische Energie zugeführt werden und so in den Dämpfungsschichten Verformungen hervorgerufen werden, so dass die Feder- und Dämpfungseigenschaften der Hinterradgabel regelbar sind. Zur Optimierung des Regelkreises ist die Hinterradgabel mit Dehnungs- und Beschleunigungssensoren ausgestattet, die das Steuersignal für den Regler bilden.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Skizzen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Seitenansicht des Zweirads mit Hinterradgabel aus aktivem Verbundwerkstoff und der Federgabel für das Vorderrad mit aktiv regelbarem Dämpfer
2 eine Seitenansicht der Hinterradgabel aus aktivem Verbundwerkstoff
3 eine Draufsicht der Hinterradgabel aus aktivem Verbundwerkstoff
4a Verdrahtungsschema für die Hinterradgabel mit bänderförmigen Elektroden, wobei das elektrische Feld in Längsrichtung der Hinterradgabel wirkt
4b Verdrahtungsschema für die Hinterradgabel mit flächiger Elektrode, wobei das elektrische Feld in Dickenrichtung der Hinterradgabel wirkt
5 eine Skizze des Regelkreises
Ein Zweirad weist einen steifen Rahmen (1) aus Metall oder Faserverbundwerkstoff mit Sitz, Lenker, Bremshebel und Antrieb auf. Am Rahmen befestigt sind eine Hinterradgabel (2) aus aktivem Verbundwerkstoff, eine Hinterradgabel mit regelbarem Dämpfer für das Vorderrad (3), eine Regeleinheit (4), eine Energieeinheit (5) und ein Endanschlag (6) und harte Reifen (7).
Die Hinterradgabel ist aus Verbundwerkstoff in Kunststoffmatrix aufgebaut. Es kommen zum einen Verstärkungsfasern (2a) mit hoher Festigkeit, wie z.B. Glas- und Kohlenstofffasern, zur Anwendung. Zum anderen kommen im Verbundwerkstoff Schichten aus Fasern oder Streifen aus piezoelektrischem oder dielektrischem Material (2b, 2c) zur Anwendung, die über ein Netz aus elektrisch leitfähigem Material (2g) kontaktiert sind.
Die Hinterradgabel ist so ausgebildet, dass sie im Bereich der Verbindung mit dem starren Rahmen (I₁) ebenfalls steif ist. Dazu haben die Verstärkungsfasern eine Orientierung von 0 und ±45 Grad zur Längsachse der Hinterradgabel. Der Rahmen durchdringt die Hinterradgabel an zwei Durchführungen (2e), die zur Befestigung der Hinterradgabel (2) am Rahmen (1) dienen.
Die Hinterradgabel ist im Bereich (I₂) zwischen dem starren Rahmen und der Radnabe biegeweich ausgebildet. Dazu sind die Fasern vornehmlich in Längsrichtung der Hinterradgabel angeordnet. Das piezoelektrische oder dielektrische Material ist innerhalb der Hinterradgabel im biegeweichen Bereich (I₂) angeordnet.
Die Hinterradgabel weist am Ende eine Befestigungsmöglichkeit (2f) für die Achse des Hinterrades auf.
Der Endanschlag (6) ist am Rahmen (1) befestigt und umfasst die Hinterradgabel, so dass er den Ausschlag der Hinterradgabel in beiden vertikalen Richtungen begrenzt. Um beim Anschlag der Hinterradgabel einen gleichmäßigen Kraftaufbau zu gewährleisten sind Puffer (6a), vorzugsweise aus zähelastischem, gummiartigem Material, an der Umfassung aufgebracht. Am Endanschlag (6) kann eine Bremse (6b) für das Hinterrad befestigt sein, die vorzugsweise dann angebaut wird, wenn ein Hinterrad ohne Scheiben- oder Trommelbremse verwendet wird.
Das piezoelektrische oder dielektrische Material (2b, 2c) in Form von Fasern, Streifen oder Bändern ist vorzugsweise mit Elektroden (2g), die die Breite eines Gabelarms haben, beidseitig kontaktiert. Die Kontaktierung ist so aufgebaut, dass in dem piezoelektrischem oder dielektrische Material (2b, 2c) ein homogenes elektrisches Feld induziert wird und dass in Längsrichtung der Hinterradgabel Abschnitte des piezoelektrischen oder dielektrischen Materials (2b, 2c) unabhängig voneinander angesteuert werden können. Zudem kann das oberhalb (2b) und unterhalb (2c) der Symmetrieebene, die den zug- und den druckbelasteten Bereich der biegebeanspruchten Hinterradgabel voneinander trennt, angeordnete piezoelektrische Material unabhängig voneinander angesteuert werden.
Je nach verwendetem piezoelektrischem Material können unterschiedliche Elektrodenkonfigurationen verwendet werden. 4a zeigt das Verdrahtungsschema für Streifen aus piezoelektrischem Material (2b, 2c). Die Elektroden (2g) sind so angeordnet, dass ein elektrisches Feld in Längsrichtung der Hinterradgabel (2) induziert wird, indem sie in Längsrichtung alternierend kontaktiert sind. Somit wird der piezoelektrische Effekt in Längsrichtung der Streifen ausgenutzt. Eine weitere bevorzugte Kontaktierung zeigt 4b, bei der ein elektrisches Feld über flächige Elektroden (2g) in Dickenrichtung der Hinterradgabel erzeugt wird. Dazu werden die Elektroden in Dickenrichtung abwechselnd kontaktiert. Verstärkungsfasern (2a), piezoelektrische Bänder, piezoelektrische Streifen (2b, 2c) können sich, wie beispielhaft gezeigt, im Aufbau der Hinterradgabel abwechseln.
An der Hinterradgabel sind Beschleunigungssensoren (2h), vorzugsweise in der Nähe der Radnabe angebracht, die die Beschleunigung der Feder in vertikaler Richtung messen. An der Hinterradgabel sind Dehnungssensoren (2i) angebracht, die vorzugsweise die Randfaserdehnung der Verstärkungsfasern messen.
5 zeigt eine Prinzipskizze des Regelkreises. Das piezoelektrische Material der Hinterradgabel 2c und 2b kann abschnittsweise (dargestellt Abschnitte 1 bis 3) mit dem einstellbaren elektrischen Widerstand (5c) angesteuert werden. Die Ansteuerung erfolgt über die Regeleinheit (4), die die Steuersignale der Sensoren (2h und 2i) an der Hinterradgabel verarbeitet. Der Dämpfer (3) an der Vordergabel wird über die Energieeinheit (5) mit Strom versorgt. Der einstellbare elektrische Widerstand (5c) kann mit der Energieeinheit (5) verbunden werden, so dass in Verbindung mit dem piezoelektrischen Material (2b und 2c) der Energieeinheit (5) elektrische Energie zugeführt wird. Die Energieeinheit (5) besteht aus einem Energiespeicher (5a), wie einer Batterie, Kondensators oder einer Brennstoffzelle, und einem Spannungswandler (5b). Der Energiespeicher (5a) kann über den Spannungswandler (5b) elektrische Energie für verschiedene Verbraucher (6e), wie Licht oder Hupe, bereitstellen.

Claims

Aktive Hinterradgabel mit regelbaren Dämpfungseigenschaften für Zweiräder, wobei das Zweirad – einen Sitz, Lenker und Antrieb aufnehmenden steifen Rahmen (1), an dem eine Regeleinheit (4) und eine einen Energiespeicher aufweisende Energieeinheit (5) befestigt ist, und – fahrdynamische Größen erfassende Sensoren (2i, 2h), die mit der Regeleinheit (4) in Verbindung stehen, wobei die Regeleinheit (4) in Verbindung mit der Energieeinheit (5) aktive Elemente zur Dämpfungsregelung ansteuert, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – eine biegeweich ausgebildete Hinterradgabel (2) aus Verbundwerkstoff mit aktiven Dämpfungsschichten in Form von elektrisch kontaktierten piezoelektrischen oder dielektrischen Schichten (2b, 2c) besteht, – die Energieeinheit (5) weiterhin einen regelbaren elektrischen Widerstand (5c) und einem Spannungswandler (5b) aufweist, – durch die Regeleinheit (4) in Verbindung mit der Energieeinheit (5) Bewegungsenergie aus den Dämpfungsschichten (2b, 2c) der Hinterradgabel entnehmbar und speicherbar ist, – durch die Regeleinheit (4) in Verbindung mit der Energieeinheit (5) die Dämpfungsschichten (2b, 2c) der Hinterradgabel mit Energie versorgt werden können, – die Sensoren als Dehnungs- (2i) und Beschleunigungssensoren (2h) ausgebildet und an der Hinterradgabel angeordnet sind. – die aus der regelbaren Hinterradgabel über Dämpfung gewonnene elektrische Energie Verbrauchern des Zweirades zugeleitet werden kann.
Aktive Hinterradgabel nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass – die Dämpfungsschichten (2b und 2c) oberhalb und/oder unterhalb der neutralen Ebene der biegeweichen Hinterradgabel (2) angeordnet sind und unabhängig voneinander angesteuert werden können, – die Dämpfungsschichten (2b und 2c) in Längsrichtung der Hinterradgabel abschnittsweise angesteuert werden können, – die Hinterradgabel (2) die Funktion der Radführung und der Radfederung übernimmt. – die Hinterradgabel im Bereich der Anbindung an den Rahmen des Zweirads steif ausgebildet ist und die Verstärkungsfasern eine Orientierung unter 0 und ±45 Grad zur Längsachse der Hinterradgabel aufweisen, – die Hinterradgabel (2) im biegesteifen Teil zur Befestigung am Rahmen eine oder zwei Durchführungen ausweist, – die Hinterradgabel (2) im Bereich zwischen dem starren Rahmen und der Radnabe biegeweich ausgebildet ist und die Fasern vornehmlich in Längsrichtung der Hinterradgabel ausgerichtet sind.
Aktive Hinterradgabel nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass – die Regeleinheit (4) mit einem Prozessor und einem Datenspeicher ausgestattet ist und die Regeleinheit die Regel- und Steuersignale (2h, 2i) verarbeitet, – die Energieeinheit einen Energiespeicher (5a) in Form einer Batterie oder einer Brennstoffzelle ausweist, – die Energieeinheit einen Spannungswandler (5b) aufweist, – die Energieeinheit (5) elektrische Energie für Verbraucher insbesondere auch für die Regeleinheit (4) und die Dämpfungsschichten (2b und 2c) bereitstellt.
Aktive Hinterradgabel nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Rahmen (1) ein Endanschlag (6) für die Hinterradgabel befestigt ist, der die Hinterradgabel umfasst und mit Puffern aus zähelastischem Material versehen ist.