Teorie odpružení motocyklu – část 2

Již v minulém díle jsme rozdělili odpružení dle jeho kinematiky. Podle druhu pohybu tedy budeme zjišťovat vlastnosti pro přední a zadní typy odpružení.

Pružení po přímce

První motocykl s teleskopickou přední vidlicí vyrobila firma Scott v roce 1908. Ta se však dnešním teleskopům moc nepodobala. Prvními motocykly s teleskopickou hydraulicky tlumenou přední vidlicí, takovou jak ji známe dnes, jsou BMW R12 a R17. Dnes je nejběžnějším a také v současné době nejpoužívanějším typem přední nápravy motocyklu.
Sklon ramen teleskopů se volí blízký sklonu ose řízení (čepem řízení). Dřívější malé odchylky pramenily většinou z požadavku, aby se závlek kola měnil jen málo. Stopa (závlek) je vzdálenost průsečníku osy řízení s vozovkou a dotykového bodu pneumatiky, přesněji těžiště dotykové plochy pneumatiky. Obyčejně má hodnotu 55 až 90 mm, nikdy nemůže mít zápornou hodnotu, to by znemožnilo ovládání motocyklu. Hraniční hodnoty nejsou známé, ale existují případy, že motocykl bylo možné ovládat i se stopou téměř nulovou nebo větší než 150 mm. Stopa zabezpečuje stabilitu, třeba jako kolečka na nákupním vozíku. Velikost stopy přímo ovlivňuje ovládací sílu řízení. Čím větší bude, tím je potřebná síla na natočení větší a větší tím pádem stabilita při vyšších rychlostech což platí i opačně.

Stopa (závlek) předního kola; vlevo celková dispozice předního kola, vpravo detail spodní části

Dle obrázku lze napsat vztah:
δ+a/sinα=r_d.cotgα
δ=a/sinα(r_d.cotgα-a)

Změna stopy δ je způsobena:

1. relativním pohybem středu předního kola vzhledem k rámu vozidla, tímhle pohybem se také může měnit také kolmé předsunutí, a
2. změnou osy úhlu řízení α natočením motocyklu pri stlačení předního nebo zadního odpružení

Při geometrii teleskopů se sklonem shodným s osou řízení se při pružení nemění předsunutí kola (a). U geometrie, kde je sklon ramen menší o 5° než sklon osy řízení, se změnou předsunutí částečně kompenzuje vliv změny úhlu který vzniká. Úplné kompenzace by se dalo dosáhnout kdyby rozdíl úhlů byl asi 10°. Tenhle rozdíl je však při současně používaných stopách obtížně konstrukčně dosáhnutelný. Velikost změny rozvoru se stanoví výpočtem z všeobecného trojúhelníku, původního rozvoru a rozvoru při propruženíl_1max, s třetí stranou f_max a úhlem který svírají strany l a f_max, který je rovný úhlu hlavy řízení před propružením.

Změna rozvoru při pružení
l_1max=√(f_max^2+l^2-2f_max.l.cosα)

Pro představu, pro f_max=150 mm,α=62°,l=1375 mm je l_1=1311 mm, takže rozdíl tvoří 64 mm, což představuje 4,7 % původního rozvoru. To je hodnota, která při běžné jízdě nemá vliv na ovladatelnost motocyklu. Teleskopické vidlice mají poměrně dobré vlastnosti z hlediska neodpružené hmoty. Kromě kola samotného tvoří neodpruženou hmotu hmota kluzáků, polovina hmoty vinutých pružin, případně hmota tlumiče, což závisí od konstrukce. V osmdesátých letech se začaly na závodních motocyklech objevovat obrácené vidlice upside-down (vyobrazená Yamaha R1 níže) které byly navrženy kvůli snížení neodpružených hmot a zvýšení tuhosti. Tedy skutečná upside-down vidlice není ta na pionýru, nebo péráku.

Yamaha YZF R1 (2000)

Zástupcem zadního pružení po přímce je tzv. plunger (pístové) pružení známé z Jawy pérák a pod. Objevilo se před první světovou válkou na motocyklu Pope, a na několik let se stalo nejpopulárnějším systémem. Mezi jeho výhody z dnešního pohledu lze považovat třeba lineární charakteristiku pružení. Má však řadu nevýhod, zejména dosahování malých drah pružení, vysoké nároky na údržbu a vysoké výrobní náklady. Nicméně ještě jedno řešení v této kategorii stojí za povšimnutí - je to odpérování zadního kola, lépe řečeno jeho osy v náboji. Tohle technické řešení z anglické dílny Triumph začátkem padesátých let nemělo úspěch z důvodu malého zdvihu.

Pružení po kružnici

Zde rozeznáváme dva hlavní typy odpružení, kdy pohyb kola jde převážně ve směru vodorovném, a střed dráhy osy kola leží nad středem kola, nebo ve směru převážně svislém, kdy střed dráhy kola je před osou kola, nebo za ní. První skupina vidlic se v současnosti nepoužívá, tyhle vidlice přenášejí nerovnosti vozovky do rámu poměrně nepružně. Při pružení se pak mění hodnota stopy a rozvoru téměř o celou hodnotu propružení. Takovéto pružení jsem nalezl třeba na francouzském motocyklu Motoconfort z roku 1927. Upřímně řečeno si neumím vysvětlit ten „confort" v názvu, je to zcela tragická konstrukce z let, které již znaly různé úspěšné konstrukce předních vidlic.

Druhou skupinu lze dělit na podskupiny:

• Paralelogramová vidlice
• Tlačné kyvné vidlice
• Vlečné kyvné vidlice

Tlačená kyvná vidlice umožňuje dosáhnout nižší neodpružené hmoty jako u teleskopických vidlic. Krom kola zde zůstává pouze neodpružená kyvná vidlice ramene, polovina pružiny a tlumič. Posunutím pružící a tlumící jednotky blíže k čepu můžeme dosáhnout ještě nižšího podílu neodpružených hmot.

Závodní motocykl BMW (1954)

Hmota vidlice se projevuje jako redukovaná hmota. Její velikost je zřejmá z podmínky rovnosti setrvačného momentu vidlice J_ε a momentu setrvačné síly působící na redukovanou hmotu uloženou v ose kola, tedy ve vzdálenosti r od osy otáčení, vyjádřeno vztahem:

J_ε=m_red.ε.r.r
m_red=J/r^2

Protože:
J=m.r_se^2 r_se m_red=m(r_se/r)^2 m_red< ε-úhlové zrychlení
r_se-poloměr setrvačnosti

Jak je možné vidět, redukovaná hmota projevující se jako hmota neodpružená je značně menší než hmota vlastního ramene. Vliv hmotnosti pružiny a tlumiče (s redukcí jejího působení do středu kola) můžeme určit podmínky, že momenty setrvačných sil příslušné hmotě tlumiče m_p a redukované hmotnosti m_red, při jistém úhlovém zrychlení kyvného ramene jsou stejné. To můžeme vyjádřit podmínkou:

m_p.a_p.r_p=m_red.a.r
m_p.ε.r_p^2=m_red.ε.r^2
m_red=m_p (r_p/r)^2

Za hmotu m_p uvažujeme hmotu, která vykonává kmitavý pohyb, u vinutých pružin opět jejich poloviční hmotnost, u tlumičů kmitů je to dle konstrukce odlišné. Zpravidla se nepřihlíží k hmotnosti pístu a pístnice, protože jejich hmotnost vzhledem k hmotnosti celého tlumiče je zanedbatelná. Hmota pružiny stejného typu, namáhání a materiálu závisí při dané maximální hodnotě tohoto namáhání jenom na požadované deformační práci, tedy součinu maximální síly a průhybu. Výsledek pružení by měl být shodný s pružením nad středem kola, za předpokladu že se zachová stejná deformační práce pružiny a stejný zdvih středu kola při celkovém propružení, změnila by se jenom velikost neodpružené hmoty.

Silové poměry pri různě uložených pružinách u tlačné výkyvné vidlici

Jak se však ukazuje, tyto způsoby nejsou stejné, protože se radikálně zvětšuje ohybové namáhání ramene vlivem statického zatížení a rovněž stoupají nároky na uložení kyvné vidlice v čepu. Z uvedených příkladů je zřejmé, že největší ohybové namáhání vidlice a největší zatížení čepu vidlice vzniká při uspořádání vidlice, kdy pružiny působí na opačných stranách kyvných ramen jako čep kola.
U tlačené kyvné vidlice dle změny stopy s propružením dospějeme k tomu, že mění stopu více než teleskopické vidlice. Při standardním umístění členů mají tlačné vidlice progresivní charakter. Naproti tomu vlečené, což je nejpoužívanější řešení zadního pružení, mají charakter degresivní. Křivost této charakteristiky je závislá na délce ramena, protože kratší rameno se musí při stejném propružení natočit více než dlouhé rameno.
Pro jednodušší představu jaké jsou charakteristiky různých typů pružení je zřejmé z porovnání níže. Tole porovnání je potřeba brát jako pouze charakteristiku typu pružení za předpokladu použití lineární pružiny, čili rozdíl na základě konstrukce.

Odpružení krátkou vlečnou kyvnou vidlicí, motocykl BMW R2 (1931)

Vlečené zadní kyvné vidlice se vyznačují ještě dvěma, poměrně značnými nevýhodami. Jednak celá konstrukce při zachovaní stejné tuhosti dává veliký moment setrvačnosti celé vidlice k ose řízení, což má za následek zvýšené namáhání při řízení a zhoršuje jízdní vlastnosti. Přední brzda má sklon k blokování a kromě toho také dochází k značnému ponoru při brzdění, což způsobuje nevýhodné zachytávání brzdné reakce.

Zadní kyvná vidlice je nejběžnějším a již po dlouhá léta také nejpoužívanějším pružícím systémem. Tenhle koncept však také prošel různými úpravami, od klasického TwinShock řešení až po moderní Monoshock s přepákováním. Přepákování je výhodné zejména z důvodů jako jsou kratší dráha tlumiče, použití jednoho tlumiče, menší nároky na tuhost podsedlové části a z konstrukce vyplývající výhodné posunutí těžiště níže. Také můžeme vhodným přepákováním zmírnit nežádoucí vliv degresivní charakteristiky, spolu s použitím progresivní pružiny jej také úplně změnit.

Pátrání po vzniku konstrukce Monoshock nás zavede do Anglie, kde byl v roku 1927 patentován kantilevrový systém zadního odpružení výrobcem Vincent krátce po koupi firmy HRD. Kantilevrový systém se stal základem pro pozdější konstrukce Monoshock odpružení japonských výrobců. První moderní monoshock se objevil na motocyklu Yamaha TZ 250 (1973) a sériový stroj byl YZ 250 (1974).

Informace o redaktorovi

Marek Janoušek - (Odebírat články autora)