NL1010504C1 - U shaped leaf spring made from fibre reinforced composite material, for e.g. bicycle fork or nose wheel, provides torsion resistant connection between two telescopic axles - Google Patents

Abstract

The spring (1) provides a torsion-resistant connection between two telescopic axles (2), so that these axes are resiliently connected to each other in their length direction. The end stops (3) in the spring are used to tune the resiliency characteristics. The spring comprises a fibre-reinforced thermoplastic polymer material with a relatively high displacement stiffness to bend stiffness ratio.

Description

Torsiestijf U-vormig veerelement van een vezelversterkt thermoplastisch composietmateriaal.Torsion-resistant U-shaped spring element made of a fiber-reinforced thermoplastic composite material.

Inleiding 5 De uitvinding heeft betrekking op een veerelement dat een torsiestijve verbinding vormt tussen twee telescopische cilindrische assen die in langsrichting over elkaar kunnen schuiven. Voor diverse bekende toepassingen, zoals een telescopisch geveerde voorvork van een fiets of een geveerd neuswiel-onderstel van een vliegtuig, is het noodzakelijk dat een 10 zekere langsbeweging van de assen mogelijk is terwijl het verdraaiien van de assen ten opzichte van elkaar verhinderd wordt. Voor dit probleem zijn diverse oplossingen bekend waarbij mechanismen of geometriën deze verdraaiing onmogelijk maken. Nadeel van deze oplossingen zijn de hoge kosten, zowel van fabicage-kosten alsook de in-service kosten ten gevolge 15 van het noodzakelijk onderhoud. De gunstige verhouding tussen torsiestijfheid en buigstijfheid van de in de onderhavige uitvinding toegepaste composietmaterialen en het daar uit voortvloeiende ontbreken van bewegende delen en de goedkope mogelijkheden voor productie van de onderdelen zonder de noodzaak van nauwkeurige passingen en toleranties 20 vormen de voordelen van de onderhavige uitvinding. Tevens is deze oplossing lichtgewicht, zijn de toegepaste materialen zeer ongevoelig voor aantasting door vermoeiing, vocht en chemicaliën en is de veerkarakteristiek van de veer aan te passen aan de gestelde eisen.Introduction 5 The invention relates to a spring element which forms a torsionally rigid connection between two telescopic cylindrical shafts which can slide over each other in the longitudinal direction. For various known applications, such as a telescopic suspension fork of a bicycle or a suspension nose wheel undercarriage of an aircraft, it is necessary that a certain longitudinal movement of the shafts is possible while the shafts are not rotated relative to each other. Various solutions are known for this problem, in which mechanisms or geometries make this rotation impossible. A disadvantage of these solutions are the high costs, both of manufacturing costs and the in-service costs as a result of the necessary maintenance. The favorable relationship between torsional stiffness and bending stiffness of the composite materials used in the present invention and the consequent lack of moving parts and the inexpensive options for producing the parts without the need for precise fits and tolerances are the advantages of the present invention. This solution is also lightweight, the materials used are very insensitive to attack by fatigue, moisture and chemicals and the spring characteristic of the spring can be adjusted to the requirements.

1010504 21010504 2

Huidige oplossingenCurrent solutions

Het eerste bekende type van huidige oplossingen voor torsie-overdracht tussen telescopisch bewegende assen bestaat uit de toepassing van een 5 zogenaamde “torsie-schaar”, zoals deze gebruikt wordt in landingsgestellen van vliegtuigen. Aan elk van de twee assen wordt via een scharnier met zijn scharnierlijn loodrecht op de middellijn van de as een buigstijve arm bevestigd. De beide armen worden aan het uiteinde scharnierend aan elkaar verbonden, een variant op deze oplossing is de toepassing van een 10 scharnierend opgehangen rondgebogen stalen bladveer (U-vorm) waarbij het middelste scharnierpunt weggelaten kan worden omdat de rotatie rond dit scharnier wordt verzorgt door uitbuiging van de bladveer.The first known type of current solutions for torsion transfer between telescopic moving shafts consists of the use of a so-called "torsion scissors", as used in aircraft landing gear. A rigid arm is attached to each of the two shafts via a hinge with its hinge line perpendicular to the axis centerline. The two arms are hinged together at the end, a variant of this solution is the use of a hinged suspended round bent steel leaf spring (U-shape) in which the middle hinge point can be omitted because the rotation around this hinge is provided by bending of the leaf spring.

De tweede bekende oplossing is het gebruik van één of meerdere spie-banen tussen de twee assen in de langsrichting van de assen. Deze spiebanen laten 15 langsbewegingen toe maar verhinderen rotaties van de assen ten opzichte van elkaar.The second known solution is to use one or more keyways between the two shafts in the longitudinal direction of the shafts. These splines allow 15 longitudinal movements but prevent rotations of the shafts relative to each other.

De derde bekende oplossing is het verhinderen van de rotatie door het ovaliseren van de dwarsdoorsnede van de assen.The third known solution is to prevent rotation by ovalizing the cross section of the shafts.

De vierde oplossing is het dubbel uitvoeren van de assen, als deze parallel 20 opgesteld worden kan er slechts een langsbeweging kan plaatsvinden maar geen rotatie. Een voorbeeld van de laatste oplossing is vaak te vinden in voorvorken van motoren en ATB’s.The fourth solution is to double the axes, if they are arranged in parallel there can only be a longitudinal movement but no rotation. An example of the latter solution can often be found in front forks of motorcycles and ATBs.

Het nadeel van veel huidige oplossing zijn de hoge fabricage- en 25 gebruikskosten. Niet-ronde delen zijn duur om te produceren. Scharnieren moeten nauwkeurig worden gemaakt om spelingsvrij te kunnen (blijven) functioneren. Het dubbel uitvoeren van telescopische assen is veelal onmogelijk, en spiebanen brengen complexe, nauwkeurige en dure bewerkingen met zich mee.The disadvantage of many current solutions are the high manufacturing and operating costs. Non-round parts are expensive to produce. Hinges must be made accurately in order to (continue to) function without play. Duplicating telescopic shafts is often impossible, and keyways involve complex, accurate and expensive operations.

τι·'· · / 3τι · '· · / 3

De onderhavige uitvindingThe present invention

De onderhavige uitvinding is een torsiestijf buigslap U-vormig element van thermoplastisch vezelversterkt composiet materiaal dat met, maar ook zonder, 5 scharnierende verbindingen op de uiteinden torsie tussen twee of meerdere telescopische assen kan overdragen. Daarbij is langsbeweging van de assen onderling mogelijk en bij dergelijke langsbewegingen ontstaat een veerkracht in het veerelement gericht in de langsrichting van de assen. Deze kracht kan worden gebruikt om een massa af te veren. Het is mogelijk met de 10 eindaanslagen van het U-vormig veerelement de veerkarakteristiek te beïnvloeden.The present invention is a torsionally rigid slap U-shaped element of thermoplastic fiber-reinforced composite material that can transmit torque between two or more telescopic axes with, but also without hinged connections at the ends. Longitudinal movement of the shafts is mutually possible and such longitudinal movements result in a spring force in the spring element directed in the longitudinal direction of the shafts. This force can be used to bounce off a mass. It is possible to influence the spring characteristic with the 10 end stops of the U-shaped spring element.

Toepassing van de onderhavige uitvinding is ondermeer voorzien in de vering van wielophangingen van diverse wegvoertuigen zoals van fietsen, motoren, 15 scooters, auto’s, treinen, etc. Ook zijn er toepassingen in de machinebouw waarbij aandrijfassen een niet constante lengte hebben of waar trillingen en/of onnauwkeurigheden moeten worden opgevangen.Application of the present invention is provided, inter alia, in the suspension of wheel suspensions of various road vehicles such as bicycles, motorcycles, scooters, cars, trains, etc. There are also applications in mechanical engineering where drive shafts have a non-constant length or where vibrations and / whether inaccuracies should be corrected.

Een voorkeursuitvoering van het torsiestijf buigslap U-vormig veerelement is 20 weergegeven in figuur 1. Het betreft een torsiestijf buigslap veerelement van composietmateriaal dat wordt toegepast in de voorvork van een fiets. Deze uitvoering is lichtgewicht, onderhoudsvrij, relatief goedkoop door het ontbreken van dure nauwkeurige en slijtagegevoelige bewegende of draaiende onderdelen, compact en heeft door het gebruikte materiaal 25 (koolstofvezelversterkt thermoplast) een high-tech image.A preferred embodiment of the torsionally stiff bending flap U-shaped spring element is shown in figure 1. It is a torsionally stiff bending flap spring element of composite material which is used in the front fork of a bicycle. This version is lightweight, maintenance-free, relatively inexpensive due to the lack of expensive accurate and wear-sensitive moving or rotating parts, compact and has a high-tech image due to the material used (carbon fiber reinforced thermoplastic).

44

Technische beschrijvingTechnical description

De uitvinding bestaat uit een torsiestijf buigslap U-vormig element (1) van thermoplastisch vezelversterkt composiet materiaal dat zonder, maar 5 eventueel ook met, scharnierende verbindingen op de uiteinden torsie tussen twee telescopische assen (2) kan overdragen. Door het elastisch verbuigen van de U-vormige bladveer (1) is langsbeweging van de assen onderling mogelijk en bij dergelijke langsbewegingen ontstaat een veerkracht in het veerelement gericht in de langsrichting van de assen (2). Deze kracht kan 10 bijvoorbeeld gebruikt worden om een massa af te veren. Het is mogelijk met de vorm van de eindaanslagen (3) van het U-vormig veerelement (1) de veerkarakteristiek te beïnvloeden. Bij indrukking zal het veerelement (1) hiertegen aanliggen waarbij het contactpunt zich gaat gedragen als een inklemming. De effectieve veerlengte verkleint hierdoor en het veerelement 15 (1) zal zich stijver gedragen. Met de kromming van deze eindaanslag (3) kan het veergedrag ‘getuned’ worden.The invention consists of a torsionally rigid slap U-shaped element (1) of thermoplastic fiber-reinforced composite material which can transfer torsion between two telescopic axles (2) without, but possibly also with hinged connections at the ends. Elastic bending of the U-shaped leaf spring (1) makes longitudinal movement of the shafts mutually possible and such longitudinal movements result in a spring force in the spring element directed in the longitudinal direction of the shafts (2). This force can for instance be used to spring off a mass. It is possible to influence the spring characteristic with the shape of the end stops (3) of the U-shaped spring element (1). When pressed, the spring element (1) will abut against this, whereby the contact point will behave as a clamping. This reduces the effective spring length and the spring element 15 (1) will behave stiffer. With the curvature of this end stop (3), the spring behavior can be "tuned".

Het torsiestijve buigslappe U-vormige veerelement (1) is gemaakt van composietmateriaal, een combinatie van een belastingdragende vezels (zoals 20 koolstof, aramide of glas) die zijn ingebed in een ondersteunend thermoplastisch matrix-materiaal (zoals PP, PE, PA, PET, PEI, etc ....).The torsionally rigid flexural U-shaped spring element (1) is made of composite material, a combination of a load-bearing fiber (such as 20 carbon, aramid or glass) embedded in a supporting thermoplastic matrix material (such as PP, PE, PA, PET, PEI, etc ...).

De oriëntatie van de vezels is dusdanig gekozen dat de afschuifstijfheid hoog is ten opzichte van de buigstijfheid. De grootste verhouding afschuifstijfheid : 25 buigstijfheid wordt bereikt bij een materiaal met vezels onder hoeken van +45° en -45° (figuur 2), deze materiaalopbouw is toegepast in voorkeursuitvoering 1. Indien een specifieke toepassing het noodzakelijk maakt kan door toevoegen van lagen in de Oprichting de buigstijfheid worden vergroot.The orientation of the fibers is chosen such that the shear stiffness is high relative to the bending stiffness. The greatest shear stiffness: 25 flexural stiffness ratio is achieved with a material with fibers at angles of + 45 ° and -45 ° (figure 2), this material structure is used in preferred embodiment 1. If a specific application makes it necessary by adding layers in the Establishment the bending stiffness to be increased.

Een bijkomend voordeel van de toepassing van composietmateriaal is de 30 grote weerstand ten opzicht van metalen tegen bezwijken door vermoeiing. Ook het lage soortelijk gewicht, het lineair elastisch materiaal gedrag tot breuk (met name thermoplastische composieten hebben een hoge breukrek) en de grote ongevoeligheid voor invloeden van vocht en chemicaliën zijn gunstig.An additional advantage of the use of composite material is the great resistance to metals against fatigue failure. Also the low specific gravity, the linear elastic material behavior to fracture (especially thermoplastic composites have a high elongation at break) and the great insensitivity to influences of moisture and chemicals are favorable.

10105041010504

Claims (2)

1: Een buigslap torsiestijf U-vormig veerelement van vezelversterkt thermoplastisch composietmateriaal waarvan het materiaal een relatief grote 5 verhouding heeft tussen afschuifstijfheid en buigstijfheid. Met het kenmerk dat dit element toepasbaar is als een torsiestijve verbinding tussen twee telescopische assen. Deze assen worden dan in langsrichting verend ten opzicht van elkaar verbonden. Tevens heeft onderhavige uitvinding het kenmerk dat met de eindaanslagen van dit element de veerkarakteristiek van io het U-vormig veerelement getuned kan worden.1: A bending slap torsion-resistant U-shaped spring element of fiber-reinforced thermoplastic composite material, the material of which has a relatively large ratio between shear stiffness and bending stiffness. Characterized in that this element is applicable as a torsionally rigid connection between two telescopic axles. These shafts are then longitudinally connected to one another. The present invention also has the feature that with the end stops of this element the spring characteristic of the U-shaped spring element can be tuned. 2: Voorkeursuitvoering volgens conclusie 1 in de voorvork van een (motor)fiets met het kenmerk dat de veerkarakteristiek ‘getuned’ is door de contour van de in de bevestigingsblokken geïntegreerde eindaanslagen en 15 waarbij geen scharnierende verbindingen in het veerelement zelf gebruikt worden. f2: Preferred embodiment according to claim 1 in the front fork of a (motor) bicycle, characterized in that the spring characteristic is "tuned" by the contour of the end stops integrated in the mounting blocks and wherein no hinged connections are used in the spring element itself. f