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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Hinterradaufhängung für Fahrräder mit zwei Längslenkern, die
jeweils an ihrem einen ersten Ende mit einem Schwenkgelenk an dem
Rahmen des Fahrrades und an ihrem zweiten Ende mit einem weiteren
Schwenkgelenk an einem, die Achse des Hinterrades aufnehmenden Radträger befestigt
sind, wobei sämtliche Schwenkgelenke
vor dem Hinterrad angeordnet sind und der Radträger ein Armkonstruktion ist,
dessen Erstreckung von der Aufnahme der Hinterradachse bis zu den
Schwenkgelenken, die ihn mit den Längslenkern verbindet, größer als
der Hinterradradius ist.
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Solche
bzw. ähnliche
Radaufhängungen sind
bekannt z. B. aus dem US-Patent 4,671,525, dem dt. Patent
DE 39 29 395 C2 sowie
der dt. Patentanmeldung
DE
44 35 482 A1 .
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Bei
den vorgenannten Patenten und Patentanmeldungen wird diese Art der
Hinterradaufhängung
für Motorräder bzw.
allgemein für
Zweiräder
beschrieben.
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Bei
den vorgenannten Patenten und Patentanmeldungen wird diese Art der
Hinterradaufhängung
für Motorräder bzw.
allgemein für
Zweiräder
beschrieben. Die Patentanmeldung
DE 44 35 482 A1 beschreibt beispielsweise
einen kompakten, steifen Radträger
mit durchgehenden Gelenkachsen zur Erzielung einer guten Fahr- und
Führungsstabilität. Die Anordnung
der Längslenker
zur Verbindung des Radträgers
mit dem Fahrradrahmen ist dabei nicht näher beschrieben. In der Zeitschrift
Radmarkt wurden in der Ausgabe 2/97 verschiedene Möglichkeiten zur
Anordnung eines Feder-Dämpfer-Elementes
zwischen einem Fahrradrahmen und einem derartigen steifen, triangelähnlichen
Radträger
vorgestellt, wobei bei diesen Anordnungen drei Lagerstellen der Hinterradaufhängung am
Fahrradrahmen erforderlich sind.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den geometrischen Aufbau einer
solchen, der Anzahl der Schwenkgelenke wegen Viergelenkhängung genannten
Hinterradaufhängung
so zu gestalten, dass sie für
ein Fahrrad, speziell für
ein solches für
harten Gelände-
und Wettbewerbseinsatz, geeignet ist.
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Gerade
bei Extremeinsätzen
ergeben sich spezielle Anforderungen an eine Fahrrad-Hinterradaufhängung, die
sich grundsätzlich
von den Anforderungen an eine Motorradhinterradaufhängung unterscheiden.
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Dabei
reicht es nicht aus, eine oder zwei dieser Forderungen zu erfüllen, entscheidend
für ein Fahrrad,
das dem Anspruch eines Spitzenproduktes in fahrdynamischen Belangen
gerecht wird, ist eine ausgewogene Erfüllung aller dieser Forderungen.
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Ein
Teil der Anforderungen ergibt sich aus der speziellen Geometrie
eines Fahrrades mit seinem kurzen Radstand und dem durch das Fahrergewicht
hoch über
der Straße
liegenden Schwerpunkt. Dadurch verursachen Beschleunigungskräfte, die
am Schwerpunkt angreifen besonders starke Nickbewegungen. Dies ist
um so gravierender als der Fahrer eine zyklisch sich verändernde
Antriebskraft aufbringt. Aus diesem Grunde sind kinetische Betrachtungen
bei Erfüllung
der Aufgabe von besonderer Wichtigkeit.
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Es
ergeben sich die folgenden Anforderungen:
- 1.
Neutrales Bremsnickverhalten:
Das Erzielen eines neutralen
Bremsnickverhaltens wird allgemein Anti- Dive-Effekt genannt. Als Anti-Dive-Effekt
bei der gefederten Hinterradaufhängung
bezeichnet man denjenigen Effekt, der diese bei einem Bremsvorgang
nicht ausfedern lässt.
Der
kinematische Bremsnickausgleich, der allein die Lage der statisch
auftretenden Kräfte
berücksichtigt,
reicht für
die Entwicklung einer Spitzen-Radaufhängung nicht aus. Hierfür müssen die
zeitliche Änderung
von Kräften
und Kraftlinien mit einem kinetischen Ansatz betrachtet werden.
In
der Praxis hat sich gezeigt, dass nicht der hundertprozentige Bremsnickausgleich
die besten Fahreigenschaften fördert,
sondern ein abgemilderter. Hinzu kommen muss die nächstfolgende Forderung:
- 2. Progressiver Verlauf der Bremsnickkompensation:
Dieser
ist notwendig zur Verhinderung des Bremsstempelns und bewirkt, dass
das Radaufhängungssystem
beim Bremsvorgang in eine stabile Einfederungslage fällt.
- 3. Anti-Squad-Effekt:
Als Anti-Squad-Effekt bezeichnet
man bei einer gefederten Hinterradaufhängung die Eigenschaft, bei
einem Beschleunigungsvorgang unter Nutzung der auftretenden Antriebskräfte trotz
Radlaständerung
nicht einzufedern. Ein neutrales Verhalten ist hier beim Fahrrad äußerst wichtig,
da durch das stark schwankende Antriebsmoment beim Treten ansonsten
permanente Ein- und Ausfederbewegungen auftreten.
- 4. Kinematisches Ansprechverhalten: Die Kinematik der Hinterradaufhängung bestimmt
durch die Festlegung der Einfederrichtung entscheidend das Ansprechverhalten
der Federung.
Zur Erfüllung
der vorgenannten Anforderungen ist die Positionierung des virtuellen
Momentanpoles bzw. dessen Verlagerung beim Ein- und Ausfedern (letzteres
vor allen für
Forderung 2) entscheidend. Hinzu kommen noch folgende Anforderungen:
- 5. Vermeidung von Pedalrückschlag:
Mit
Pedalrückschlag
wird die kinematische Erscheinung bezeichnet, dass bei einer Federbewegung
des Hinterrades, übertragen
durch Kette und Kettenblatt, die Tretkurbel eine Winkeländerung
erfährt.
Gleichzeitig werden hierbei Kräfte auf
die Pedale und damit auf den Fahrer eingeleitet, die sich in einem
unangenehmen Tretverhalten bemerkbar machen. Der Pedalrückschlag kann
sogar zum Verlust der Fahrstabilität führen, wenn die Kurbel im oberen
Totpunkt zurück schlägt und der
Fahrer ungewollt entgegen der Tretrichtung ins Leere fällt.
- 6. Hohe Seitensteifigkeit und hohe Torsionssteifigkeit zur Verbindungsachse
zwischen Hinterradlagerung und Steuerrohr zur Erzielung guter Fahr- und
Führungsstabilität.
- 7. Hohe Lebensdauer des Systems unter harten Fahrbedingungen.
- 8. Bereitstellung von Federwegen zwischen 100 mm (Cross-Country-Version) und 180
mm (Downhill-Version).
- 9. Einpassung in die bewährten
Rahmen-Grundgeometrien (in Bezug auf Hinterbaulänge, Tretlagerhöhe, Sattelrohrwinkel,
Rahmenhöhe).
- 10. Gewichtsoptimierung.
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Die
Aufgabe wurde gelöst
durch das Finden spezieller geometrischer Lagen der Längslenker
zueinander, einschließlich
deren Lagerung in speziellen Bereichen am Rahmen und ihrer Längenverhältnisse zueinander.
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Es
wurde festgestellt, dass die erfindungsgemäße Hinterradaufhängung im
Vergleich eine sehr neutrale und damit im Fahrbetrieb besonders
leicht zu beherrschende Auslegung aufweist.
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Eine
besonders steife Konstruktion zur Erfüllung der Forderung 6 wird
erreicht durch durchgehende Bolzen an allen Gelenken, einen in sich
steifen Radträger
mit Verbindung von rechter und linker Seite vor dem Hinterrad bzw.
einer entsprechend steif gebauten einseitigen Konstruktion, kurzen
und damit verwindungs- und biegesteifen Längslenkern sowie weit voneinander
entfernter Lagerung der Längslenker
an Rahmen und Radräder.
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Letzteres
ergibt außerdem
relativ geringe Lagerkräfte,
so dass Forderung 7 erfüllt
ist.
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Es
wurden verschiedene Varianten für Cross-Country-
und Downhill-Einsatz überprüft, die die
Federwege gemäß Forderung
8 erreichen.
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Forderung
9 kann mit entsprechender Rahmenform erfüllt werden.
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Forderung
10 wird erfüllt
durch möglichst kompakte
Bauweise und geringstmöglichen
Materialeinsatz durch Minimierung der Abmessungen der Einzelbauteile
innerhalb der möglichen,
sich aus den anderen Forderungen ergebenden Grenzen.
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Der
in 3 angegebene Bereich 38 kann sinnvoll
werden bei speziellen Vorderradaufhängungen (z. B. Teleleverartigen
Vorderradaufhängungen) zur Konzentrierung
der Krafteinleitungen am Rahmen und damit der Gewichtsoptimierung
der Gesamtheit von Rahmen und Hinterradaufhängung.
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Im
Patentanspruch 1 wird eine Geometrie beschrieben, die den Einsatz
der patentgemäßen Hinterradaufhängung an
allen denkbaren Fahrradtypen abdeckt. Relevant sind die in 3a dargestellten
Bereiche (18a, b und 19a).
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Alle
drei in den 4a bis c dargestellten Anordnungen
des Feder-/Dämpfer-Elementes bewirken
eine progressive Kennung der Federung am Hinterrad, auch wenn die
Kennung des Federelementes allein linear ist. Dies ist gewünscht, um
ein weiches Ansprechen der Federung bei gleichzeitigem hohen Durchschlagschutz
zu erreichen.
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Die
Anordnung aus 4c kann produktionstechnische
Vorteile aufweisen, da nur zwei Gelenkachsen am Rahmen vorzusehen
sind.
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Die
Erfindung ist in schematischen Zeichnungen erläutert. Im einzelnen stellen
dar:
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1 die
relevanten Bauelemente an einem Fahrrad mit patentgemäßer Hinterradaufhängung;
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2 und 2a die
patentgemäße Lage der
Längslenker
zueinander;
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3 und 3a die
patentgemäße Lage der
rahmenseitigen Gelenkachsen der beiden Längslenker;
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4a bis
c mögliche
vorteilhafte Einbausituationen eines Feder-/Dämpfer-Elementes für die patentgemäße Hinterradaufhängung.
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Auf
allen Zeichnungen weist das Vorderteil des Fahrrades nach links.
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In 1 ist
der Umriss eines Fahrradrahmens (1) dargestellt, der an
seinem hinteren oberen Ende den Sattel (2) trägt und in
seinem hinteren unteren Ende das Tretlager (6) aufnimmt.
Das Hinterrad (3) ist mit einer Achse (12), deren
Mittelpunkt durch die Linien (13a) und (13b) definiert
wird, drehbar in einem Radträger
(5) gelagert. Der Radträger
(5) ist im Ausführungsbeispiel
als Dreieck-Konstruktion
dargestellt, die sich von der Hinterradachse (12) nach vorn
oben und vorn unten bis vor das Hinterrad erstreckt und an dessen
beiden vorderen Ecken ein oberer Längslenker (10) mit
der Gelenkachse (11b) und ein unterer Längslenker (8) mit
der Gelenkachse (9b) gelenkig gelagert sind. Die Gelenkachse
(11b) befindet sich im Ausführungsbeispiel auf einer Geraden
durch die Hinterradachse, die mit einem Winkel von ca. 30° zur Waagerechten
nach vorn oben ragt, die Gelenkachse (9b) auf einer solchen,
die mit einem Winkel von ca. 15° zur
Waagerechten nach vorn unten ragt. Dadurch, dass die vorderen Ecken
der Dreieck-Konstruktion über
den Radius des Hinterrades hinausragen, ist es möglich, die Gelenkachsen (9b)
und (11b) als durchgehende Bolzen auszuführen, was
eine besonders steife und dauerhafte Konstruktion darstellt.
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Der
untere Längslenker
(8) ist auf seinem vom Radträger abgewandten Ende mit einer
Gelenkachse (9a) gelenkig mit dem Rahmen (1) verbunden, und
zwar in einem Bereich unterhalb des Tretlagers (6) oder
mit der Tretlagerachse zusammenfallend. Bevorzugte Bereiche werden
in 2 und 2a näher beschrieben.
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Der
obere Längslenker
(10) ist auf seinem vom Radträger abgewandten Ende mit einer
Gelenkachse (11a) gelenkig mit dem Rahmen (1)
verbunden, und zwar in einem Bereich oberhalb des Tretlagers (6).
Bevorzugte Bereiche werden in 2 und 2a näher beschrieben.
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Auch
die Gelenkachsen (9a und 11a) sind als durchgehende
Bolzen auszuführen.
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Desweiteren
sind in Form von konzentrischen Kreisen (7a), (7b)
und (7c) um das Tretlager die Teilkreisdurchmesser der üblicherweise
verwendeten drei Kettenblätter
dargestellt.
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Im
vorderen Bereich des Rahmens (1) ist über eine nicht dargestellte
Vorderradgabel das Vorderrad (4) gelagert.
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In 2 ist
erläutert,
wie die Lage der Längslenker
zueinander patentgemäß zu wählen ist.
Basis hierfür
sind die beiden Geraden (22) und (23), wobei (22)
die Verlängerung
der Verbindung der beiden Gelenkachsen (11a) und (11b)
des oberen Längslenkers
nach vorn darstellt und (23) die Verlängerung der Verbindung der
beiden Gelenkachsen (9a) und (9b) des unteren
Längslenkers
nach vorn darstellt. Die Geraden (22) und (23)
schneiden sich im Schnittpunkt (24). Der Schnittpunkt liegt
patentgemäß in einem
der Bereiche (25) oder (26). Dabei wird der Bereich
(26) wie folgt gebildet:
die Begrenzung nach unten
bildet die Linie (28), der Tangente von der Hinterradachse
(12) an den Teilkreisdurchmesser des mittleren Kettenblattes
(7b);
die Begrenzung nach oben bildet die Linie (30),
die gebildet wird durch die Drehung der Linie (29) um ein Winkelgrad
im Uhrzeigersinn um die Hinterradachse (12), wobei die
Linie (29) die Tangente von der Hinterradachse (12)
an den Teilkreisdurchmesser des großen Kettenblattes (7a)
darstellt;
die Begrenzung nach hinten bildet ein konzentrisch zum
Tretlager (6) liegender Kreisbogenabschnitt (20) durch
die Gelenkachse (11a) mit dem Radius (R);
die Begrenzung
nach vorn bildet ein konzentrisch zum Tretlager (6) liegender
Kreisbogenabschnitt (21) mit dem 2,5-fachen Radius des
Kreisbogenabschnittes (20).
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Der
Bereich (25) wird wie folgt gebildet:
die Begrenzungen
nach oben, vorn und hinten werden gebildet durch die bereits beschriebene
Linie (28) und die bereits beschriebenen Kreisbogenabschnitte
(20) und (21);
die Begrenzung nach unten
wird gebildet durch die Linie (27), der Tangente von der
Hinterradachse (12) an den Teilkreisdurchmesser des kleinen
Kettenblattes (7c).
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2a zeigt
eingeschränkte
Bereiche (26a), (26b) und (26c) für den in 2 dargestellten Schnittpunkt
(24) der Geraden (22) und (23), die innerhalb
der Grenzen des Bereiches (26) liegen.
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Dabei
wird Bereich (26c) nach unten begrenzt durch die in 2 beschriebene
Linie (29), nach oben begrenzt durch die in 2 beschriebene Linie
(30), nach hinten begrenzt durch den in 2 beschriebenen
konzentrisch zum Tretlager liegenden Kreisbogenabschnitt (20)
mit dem Radius (R) nach vorn begrenzt durch einen zum Kreisbogenabschnitt (20)
konzentrischen Kreisbogenabschnitt mit dem 1,15-fachen Radius des
Kreisbogenabschnittes (20).
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Bereich
(26b) wird nach oben begrenzt durch die in 2 beschriebene
Linie (29), nach unten begrenzt durch die Linie (34),
die gebildet wird durch die Drehung der in 2 beschriebenen
Linie (28) um ein Winkelgrad im Uhrzeigersinn um die Hinterradachse
(12), nach hinten begrenzt durch einen zum Kreisbogenabschnitt
(20) konzentrischen Kreisbogenabschnitt mit dem 1,3-fachen Radius des
Kreisbogenabschnittes (20), nach vorn begrenzt durch einen zum
Kreisbogenabschnitt (20) konzentrischen Kreisbogenabschnitt
mit dem 1,5-fachen
Radius des Kreisbogenabschnittes (20).
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Bereich
(26a) wird nach unten begrenzt durch die in 2 beschriebene
Linie (28), nach oben begrenzt durch die Linie (34),
nach hinten begrenzt durch einen zum Kreisbogenabschnitt (20) konzentrischen
Kreisbogenabschnitt mit dem 1,65-fachen Radius des Kreisbogenabschnittes
(20), nach vorn begrenzt durch einen zum Kreisbogenabschnitt
(20) konzentrischen Kreisbogenabschnitt mit dem 1,85-fachen
Radius des Kreisbogenabschnittes (20).
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In 3 sind
bevorzugte Lagen der rahmenseitigen Gelenkachsen (9a) und
(11a) der Längslenker
(8) bzw. (10) beschrieben. Gelenkachse (9a)
liegt im Bereich (19), der ein Kreissegment mit dem Radius
60 mm mit Kreismittelpunkt in Tretlagermitte (6) darstellt,
begrenzt durch den nach unten weisenden Winkelbereich zwischen den
Linien (16b) und (16a). Linie (16b) ist
die Horizontale durch die Tretlagermitte, Linie (16a) entsteht
durch die Drehung der Senkrechten (35) durch die Tretlagermitte
um 45° im
Uhrzeigersinn um die Tretlagermitte.
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Die
Gelenkachse (11a) liegt in einem der Bereiche (18)
oder (38). Bereich (18) wird nach unten begrenzt
durch einen zum Tretlager konzentrischen Kreisbogenabschnitt (14b)
mit dem Radius 150 mm, nach oben begrenzt durch einen zum Tretlager
konzentrischen Kreisbogenabschnitt (14a) mit dem Radius
250 mm, nach vorn begrenzt durch die Linie (15a) und nach
hinten begrenzt durch die Linie (15b), wobei die Linien
(15a) und (15b) symmetrisch zur Senkrechten (35)
durchs Tretlager (6) einen Winkel von 20° einschließen und
sich in Tretlagermitte treffen.
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Der
Bereich (38) wird nach oben und unten durch die gleichen
Kreisbogenabschnitte (14a) und (14b) begrenzt
wie Bereich (18), nach hinten begrenzt durch die Linie
(15a) und nach vorn begrenzt durch eine Linie, die entsteht
durch Drehung der Linie (15a) um 20° gegen den Uhrzeigersinn um
die Tretlagermitte.
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3a zeigt
eingeschränkte
Bereiche (18a) und (18b) für die Lage der oberen rahmenseitigen Gelenkachse
(11a) die innerhalb der Grenzen des Bereiches (18)
liegen sowie eingeschränkte
Bereiche (19a) und (19b) für die Lage der unteren rahmenseitigen
Gelenkachse (9a), die innerhalb der Grenzen des Bereiches
(19) liegen.
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Die
Bereiche (19a) und (19b) werden zum Tretlager
hin begrenzt durch einen zum Tretlager konzentrischen Kreisbogenabschnitt
mit dem Radius 40 mm und auf der dem Tretlager abgewandten Seite durch
einen zum Tretlager konzentrischen Kreisbogenabschnitt mit dem Radius
55 mm.
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Der
Bereich (19a) wird seitlich begrenzt durch zwei Linien
(37a) und (37b), die sich im Tretlager schneiden
und symmetrisch zur Senkrechten (35) durchs Tretlager (6),
nach unten ragend einen Winkel von 20° einschließen.
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Der
Bereich (19b) wird seitlich begrenzt durch die Linien (39a)
und (39b), die sich im Tretlager schneiden. Linie (39a)
entsteht durch Drehung der Senkrechten (35) durchs Tretlager
um 30° gegen
den Uhrzeigersinn um die Tretlagermitte, Linie (39b) entsteht
durch Drehung der Senkrechten (35) durchs Tretlager um
60° gegen
den Uhrzeigersinn um die Tretlagermitte, wobei die Linien (39a)
und (39b) vom Tretlager aus nach hinten unten ragen.
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Die
Bereiche (18a) und (18b) werden seitlich begrenzt
durch die Linien (40a) und (40b), die sich im Tretlager
schneiden und vom Tretlager aus nach oben ragen. Linie (40a)
entsteht durch Drehung der Senkrechten (35) durchs Tretlager
um 5° gegen
den Uhrzeigersinn um die Tretlagermitte, Linie (40b) entsteht
durch Drehung der Senkrechten (35) durchs Tretlager um
2° im Uhrzeigersinn
um die Tretlagermitte.
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Der
Bereich (18a) wird nach unten begrenzt durch den zum Tretlager
konzentrischen Kreisbogenabschnitt (36a) mit dem Radius
180 mm und nach oben begrenzt durch den zum Tretlager konzentrischen
Kreisbogenabschnitt (36b) mit dem Radius 200 mm.
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Der
Bereich (18b) wird nach unten begrenzt durch den zum Tretlager
konzentrischen Kreisbogenabschnitt (36b) und nach oben
begrenzt durch den zum Tretlager konzentrischen Kreisbogenabschnitt (36c)
mit dem Radius 220 mm.
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In 4a ist
ein im Fahrradbau übliches
Feder-Dämpfer-Element
(31) gezeigt, das sich ab seiner unteren Seite gelenkig
mit der Gelenkachse (33a) auf der hinteren Hälfte des
oberen Längslenkers
(10) abstützt.
Von dort aus ragt es nach vorn oben und ist an seinem anderen Ende
mit einer Gelenkachse (32a) gelenkig mit dem Rahmen (1)
verbunden.
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Im
Ausführungsbeispiel
beträgt
der Winkel zwischen der Längsachse
des Feder-/Dämpfer-Elementes
und der Horizontalen ca. 60°,
die Gelenkachse (32a) liegt annähernd senkrecht über der
Gelenkachse (11a) des oberen Längslenkers (10).
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In 4b ist
das Feder-/Dämpfer-Element an
seinem unteren Ende mit der Gelenkachse (33b) am Radträger (5),
und zwar an der unteren Hälfte
der Verbindung der Gelenkachsen (9b) und (11b)
gelagert. Von dort aus ragt es nach vorn oben und ist an seinem
anderen Ende mit einer Gelenkachse (32b) gelenkig mit dem
Rahmen (1) verbunden.
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Im
Ausführungsbeispiel
beträgt
der Winkel zwischen der Längsachse
des Feder-/Dämpfer-Elementes
und der Horizontalen ca. 75°,
die Gelenkachse (32b) liegt im oberen Drittel zwischen
Tretlager (6) und rahmenseitiger Gelenkachse (11a) des
oberen Längslenkers
(10), annähernd
auf der Senkrechten (35) durchs Tretlager.
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In 4c ist
das Feder-/Dämpfer-Element an
seinem unteren Ende mit der Gelenkachse (33c) am Radträger (5),
und zwar an der unteren Hälfte
der Verbindung der Gelenkachsen (9b) und (11b),
gelagert. Von dort aus ragt es fast senkrecht nach oben und ist
an seinem anderen Ende mit einer Gelenkachse (32c) gelenkig
in der vorderen Hälfte
des Längslenkers
(10) gelagert.