Bohater drugiego planu. Podwozie – jak to działa?

Jednostkami napędowymi fascynują się niemal wszyscy a ich osiągi, pojemność czy budowa budzą najwięcej emocji. Podwozia to aktorzy drugiego planu, podziwiani głównie przez koneserów. Jak w kinie. I tak jak w sztuce filmowej żaden obraz nie ma racji bytu bez mniej docenianych postaci, tak w motocyklach bez poprawnie zaprojektowanych zawieszeń nawet najlepszy silnik nie pokaże swojego potencjału.

Podstawą podwoziowej filozofii jest matematyka, a właściwie jej dział zwany geometrią. To ona decyduje, jakie siły i jak skierowane pojawią się, gdy jednoślad wyjedzie na drogę. Wraz z ruchem dają o sobie znać zjawiska fizyczne zależne od geometrii. One sprawiają, że motocykl nie przewraca się, że trzeba go pochylać, że jedną maszyną łatwiej pokonuje się zakręty, a inna lepiej czuje się na prostych.

Geometria rządzi

Podczas jazdy tworzą się też inne siły. Działają wokół osi poprzecznej, podłużnej i pionowej motocykla, a także wokół osi układu kierowniczego.

Siły wokół osi poprzecznej powstają podczas przyśpieszania i hamowania. Jeśli są odpowiednio duże, powodują oderwanie się od nawierzchni przedniego lub tylnego koła. Gdy motocykl jedzie w zakręcie, ruchy kierownicy generują siły działające wokół osi pionowej. Przednie zawieszenie zaczyna wówczas poruszać się przeciwnie do ruchu podwozia. Tworzy się oś obrotu, którą w praktyce jest oś układu kierowniczego. Podczas jazdy w zakręcie układ cały czas drga, wykonując szereg ruchów wokół osi kierownicy.

Od geometrii podwozia zależy, czy jednoślad będzie chętnie wjeżdżał w zakręty, czy też będzie musiał być do tego „nakłaniany”. Zależy to od rozstawu osi, kąta pochylenia i wyprzedzenia osi kierownicy oraz położenia środka ciężkości motocykla.

Istotne jest zwłaszcza wyprzedzenie osi kierownicy, czyli odległość między punktem przecięcia się tej osi z płaszczyzną nawierzchni a punktem styku przedniego koła z nawierzchnią. Jest ono tym większe, im bardziej widelec jest odchylony od pionu. Jeśli ta wartość jest większa, to rośnie siła reakcyjna, która próbuje ustawić układ kierowniczy do jazdy na wprost. Dlatego motocykle z bardziej odchylonym od pionu widelcem lepiej prowadzą się na prostych, a w zakrętach spisują się kiepsko. Próbują wyjechać z łuku na wprost. To przede wszystkim choppery i cruisery, w których wartość wyprzedzenia osi kierownicy może sięgać nawet 170 mm.

Gdy widelec jest ustawiony stromo, sytuacja jest odwrotna. Wjeżdżanie w zakręty jest łatwe, za to gorsza stabilność jazdy na wprost. Dzieje się tak dlatego, że ruchy kierownicy generują obrót motocykla wokół punktu styku tylnego koła z jezdnią. Im mniejsze jest wyprzedzenie kąta kierownicy, tym ten obrót jest wyraźniejszy i tym łatwiej wytrącić masę jednośladu z położenia podstawowego, czyli do jazdy na wprost. Tak wygląda to w maszynach sportowych, sportowo-turystycznych oraz takich, w których zwrotność jest najważniejsza (np. trialowych).

Warto zauważyć, że konstruktorzy podwozi poruszają się w pewnych ramach. Dążenie do coraz większego pochylania widelca albo do stawiania go coraz bliżej pionu ot tak, bez uzasadnienia, nie ma sensu. Odpowiedni kąt dobiera się w zależności od potrzeb, a zakres, w jakim się to robi, praktycznie nie zmienia się. Od dziesięcioleci zamyka się on, z nielicznymi wyjątkami, między 54o a 69o.

A co z prowadzeniem motocykla, gdy mniej lub bardziej chętnie wjedzie już w zakręt? Tu mamy do czynienia z przeciwdziałaniem sile odśrodkowej przy pomocy siły ciążenia pojazdu. Obie siły działają w tym samym punkcie, a kierowca musi dążyć do ich zrównoważenia. Równowaga jest wtedy, gdy siła wypadkowa przecina linię łączącą punkty styku przedniego i tylnego koła z jezdnią.

Przy tej samej prędkości motocykl musi być tym mocniej pochylany, im niżej jest środek jego ciężkości i im szersze ma opony. Wzrost szerokości opony powoduje bowiem przybliżanie się punktu styku koła z jezdnią do wewnętrznej strony zakrętu.

Władca przedniego koła

Widelec teleskopowy, który od momentu swojego debiutu w BMW R12 z 1935 r. sukcesywnie zyskiwał popularność, w końcu kompletnie zdominował rynek. Choć nie jest ideałem i jego konstrukcja pozwala jedynie na pewien kompromis między funkcjami prowadzenia przedniego koła, kierowania, resorowania, tłumienia i przenoszenia siły hamowania na ramę, to jednak pokonuje inne rozwiązania prostotą konstrukcji, małą masą i niską ceną.

Jego wadą jest duże oddalenie osi koła od mocowania zawieszenia w główce ramy. Na umieszczone w niej łożyska działają zatem duże siły, wzmacniane dźwigniami tworzonymi przez golenie widelca. Ten punkt konstrukcji ramy musi być bardzo solidnie zaprojektowany i wykonany.

Najgorzej jest przy hamowaniu, gdy pojawia się duży moment zginający, działający na rury nośne widelca. Wówczas dają o sobie znać naprężenia, którym konstruktorzy od wielu lat próbują zapobiec przez zwiększanie przekroju tego elementu zawieszenia. W ślad za tym rośnie jednak masa i powierzchnia przesuwających się względem siebie elementów, a w konsekwencji tarcie, mające negatywny wpływ na precyzję działania zawieszenia.

Początkowo takie problemy nie były znaczące, bo rury nośne teleskopów, mocowane do półek przy główce ramy, miały większą średnicę niż ruchome części widelca, poruszające się wraz z kołem. Role odwrócono w latach sześćdziesiątych, kiedy to rury nośne o mniejszej średnicy zaczęto mocować do półek, zaś z kołem poruszały się znacznie grubsze golenie teleskopów. Taki układ, nazywany dzisiaj konwencjonalnym, przetrwał dwie dekady.

Role znowu odwrócono w latach osiemdziesiątych, najpierw w sporcie wyczynowym. Potem nowy system, zwany „upside-down”, trafił do turystycznej Aprilii 600 Wind oraz szosowej Aprilii Sintesi. W kolejnej dekadzie Suzuki spopularyzowało go w motocyklach sportowych, choć tak zbudowany widelec jest cięższy od konwencjonalnego o ok. 15%. Jednak większa odporność na skręcanie podczas zmian kierunku jazdy i zginanie podczas hamowania, a także solidniejsze mocowanie w półkach widelca okazały się ważniejsze. Część robocza w „upside-down” jest znacznie dłuższa niż w konwencjonalnym widelcu, co gwarantuje większe „zachodzenie” na siebie stałego i ruchomego elementu, a w konsekwencji większą sztywność.

Układ „odwrócony” zyskuje na popularności. Już ponad połowa motocykli w klasach średniej i wyższej ma widelec „upside-down”, a wśród motocykli sportowych wskaźnik ten przekracza 90%.

Masa nieresorowana

Przy porównaniu konstrukcji widelców łatwo możemy zauważyć, jak istotną rolę odgrywa masa nieresorowana, niższa w przypadku układu „upside-down”. Tworzą ją te wszystkie elementy, które są wprawiane w ruch bezpośrednio przez nierówności nawierzchni. W zawieszeniu z widelcem składa się na nią masa opony, obręczy, piasty, elementów układu hamulcowego, goleni lub rur nośnych widelca a także błotnika, jeśli porusza się wraz z kołem. Przy mniejszej masie nieresorowanej mniejsze są też siły reakcyjne, wywołane nierównościami jezdni i przenoszone na masę resorowaną (ramę, mocowane do niej części widelca, kierownicę, kanapę i inne elementy jednośladu). Łatwiej też można skręcać, bo reakcje układu kierowniczego są szybsze.