Z archiwum ŚM: Nowe bezwidelcowe zawieszenia, cz. 1. Czego możemy po nich oczekiwać? Numer 5/1995

Sterowana piasta

Dobrze przed pierwszą wojną światową istniał w Anglii jednostronny wahacz przedni, wygięty dla umoż­liwienia kołu skrętu (były to pierwsze, nie ostatnie, de­kady tego stulecia!), a na końcu wahacza znajdowała się „magiczna” piasta, umoż­liwiająca kołu spełnianie obu tych funkcji. W 1921 roku Amerykanie wymyślili coś, co nazwali „Ner-a-car” (w slangu amerykańskim uproszczona pisownia „prawie-samochód”), a co miało obustronny wahacz ze ste­rowaną piastą trzymaną na końcu wahacza za oba koń­ce jej osi. 

W sterowanej piaście koło przednie obraca się na dużych łożyskach wokół po­ziomej osi poprzecznej, a skręt koła odbywa się wokół prostopadłej do niej osi czo­pa zwrotnicy, zamieszczonego wewnątrz piasty (X na rys.1). Ale zauważmy, że ten czop zwrotnicy nie mo­że być sztywno związany z wahaczem, bo on, i tylko on, wyznacza pozycję osi skrętu koła. Nikt nie chciał­by, żeby ta oś kiwała się w przód i w tył wraz z rucha­mi „kiwaczki”, jak Czesi ob­razowo nazywają wahacz. Więc pozioma oś krzyżaka musi być obrotowo ułoży­skowana w stosunku do wa­hacza i coś na zewnątrz piasty musi wyznaczać jej pozycję, a tym samym pozy­cję czopa zwrotnicy, nieza­leżnie od ruchów wahacza.

System Difazio, zastoso­wany przez Suzuki w roku 1972, ustalał pozycję osi X­-X za pomocą widelczyka, obejmującego koło z obu stron, a u góry połączonego przegubowo z wahaczem, umieszczonym nad kołem, ułożyskowanym w tej części motocykla, gdzie dotąd była główka ramy. Na górne końce pomocniczego widel­czyka oddziaływały (na ry­s. 2 w miejscach ozna­czonych strzałkami) cięgna od kierownicy, ułożyskowa­nej w ramie. Poprzez skręca­nie tego widelczyka oddzia­ływano na skręt piasty wo­kół czopa zwrotnicy. 

Rozdwojenie każdej ze stron pomocniczego widel­czyka, optycznie upodab­niające go do odwróconego widelca trapezowego (upsi­de-down, upside-down!), konieczne było dla zmiesz­czenia zacisków dwutarczo­wego hamulca. W później­szych wersjach skasowano ten górny wahacz, a jego ro­lę ustalania pozycji osi X-X i przenoszenia sił od momen­tu hamowania przekazano wzdłużnym cięgnom układu kierowniczego. 

Bimota Tesi, przy pia­ście skonstruowanej na po­dobnych założeniach, usta­la pozycję czopa zwrotnicy za pomocą krótkich ramion na zewnątrz piasty, zamo­cowanych na osi, a opar­tych na wzdłużnych cię­gnach, ułożyskowanych w ramie motocykla. Długości tych wzdłużnych cięgien są regulowane, co umożliwia regulację położenia osi skrętu koła. Ale zauważmy, że ta oś obraca się przy tym wokół osi koła i małe zmia­ny w jej kącie nachylenia powodują duże zmiany w wielkości wyprzedzenia. 

Proporcje na rys. 3 są w miarę możliwości zgodne z rzeczywistymi, więc ten schemat może dać coś nie coś do myślenia, jak bardzo niekorzystne są tu relacje między długościami waha­cza i cięgien a ich rozstawem. To oznacza duże siły działające na małych ra­mionach, a także małą sztywność układu. W związ­ku z tym pojawiają się pro­blemy z precyzją prowadze­nia motocykla. Sama piasta ze zwrotnicą zamieszczoną w jej gabarytach też może wzbudzać zastrzeżenia. Ta piasta ma nie tylko prowa­dzić koło, lecz także przenosić wszelkie siły przy tak małym rozstawie łożysko­wania zwrotnicy, jaki moż­na zmieścić wewnątrz pia­sty. 

Wszelkie łożyskowania mają jakieś luzy, na pewno rosnące w ramach przebie­gu, więc przy małych roz­stawach luzy kątowe muszą być dokuczliwie duże. Nic dziwnego, że publikacje na temat sterowności tego sys­temu nie są pełne zachwy­tu. Mówi się o wężykowaniu przy wysokich szybko­ściach. Oba systemy stosu­jące sterowaną piastę wyła­mały się z omówionych w numerze 3/95 zasad sterowności motocykla. Od­padł tu jeden z czynników powodujących powstawa­nie owych „potencjalnie działających sił odśrodko­wych”, zapewniających dy­namiczną równowagę mo­tocykla: przesunięcie środ­ka ciężkości układu stero­wego przed oś skrętu koła. Tu środek masy układu ste­rowego leży dokładnie w środku koła, a właśnie przez ten środek z założenia przechodzi oś skrętu X­-X. Wygląda na to, że znów dużym wyprzedzeniem usi­łowano zastąpić brak jed­nego z czynników sterow­ności motocykla, jak to kie­dyś miało miejsce przy wa­haczowym widelcu. 

Pozostała także nieba­gatelna sprawa masy takiej sterowanej piasty, która przecież w komplecie sta­nowi masę nieresorowaną. To są na pewno najcięższe piasty przednie w motocy­klowej branży. A przecież część masy wahacza, cię­gien stabilizujących Bimoty Tesi czy widelczyka pomoc­niczego, wraz z częścią je­go górnego wahacza u Di­fazio, też stanowią masy nieresorowane. Bimota usi­łowała zmieścić w gabary­tach piasty także przenie­sienie ruchów i sił od kie­rownicy na układ skrętu koła. Stabilizujące wahacze nie biorą w tym udziału. 

Bi­mota poszła tu równie od­ważnie jak w sprawie za­gadkowości geometrii i za­stosowała hydrauliczne przeniesienie sygnałów od kierownicy do piasty i z po­wrotem. To też warte do­kładnego przemyślenia. Co prawda, kiedy pojawiły się hamulce o hydraulicznym przeniesieniu w samocho­dach, również zostały przy­jęte z niedowierzaniem, a dziś są absolutnie po­wszechne. Ale czy w ukła­dzie sterowym motocykla nie wysuną się na pierwszy plan problemy, które dla pedału hamulca są trzecio­rzędne? 

Zainteresowało.mnie co oznacza słowo „Tesi”. W słowniku włosko-polskim: teza, twierdzenie. Tesi di Laurea: praca dyplomowa, rozprawa doktorska. No tak. Myślę, że tak to i pozo­stanie. Bo poza omówionymi już względami, zawsze aktualne będzie pytanie: jak dalece można komplikować system?

Nasuwa się pewna ana­logia do próby umieszcze­nia resorowania tylnego ko­ła w jego piaście. Angielski Triumph około roku 1950 wprowadził taką resorowa­ną tylną piastę do niezmie­nionej „sztywnej” ramy w swych dwucylindrowych 500-kach Speed Twin i Ti­ger 100, oraz w 650-kach Thunderbird. Pomimo teo­retycznej zalety utrzymy­wania stałego napięcia łań­cucha, dzięki prowadzeniu osi po łuku, to resorowanie niedługo utrzymało się u Triumpha i zostało zastą­pione zwykłym, wcale nie genialnym, wahaczem.

Na jednostronnych wahaczach

Mówi się, że zwrotnico­we zawieszenie przedniego koła w motocyklu powstało przez obrócenie koła w kla­sycznym dziś zawieszeniu przedniego koła w samo­chodzie o 90 stopni, potem obrócenie wszystkiego z po­wrotem o 90 stopni, żeby jechało w przód, a nie w bok, i mamy „zwrotnicowe” zawieszenie przedniego ko­ła w motocyklu. Ale rzut oka z innej strony, jak np. z góry na rys. 4, wykazuje, że zupełnie inne problemy wy­stępują w obu rozwiązaniach, nie tylko pod względem geometrycznym. Ogól­ne zagadnienia, związane z rolą przedniego koła, są inne w motocyklu i w samo­chodzie. 

A jeżeli już porównywać motocyklowe zwrotnicowe zawieszenie z samochodem, to bliższe wydaje się powią­zanie z pierwotnym systemem zawieszenia VW „Gar­busa” lub wyścigowego Au­to Union. Obie konstrukcje z deski Ferdynanda Porsche, obie z drugiej połowy lat 30. Też dwa podłużne wahacze, też ukształtowane tak, żeby dopuścić skręt koła, „bocznie” łożyskowane, tyle że w samochodzie ułożyskowanie nie zmuszało wahaczy do przybierania takich długości jak w motocyklu. 

Operując różnymi długo­ściami górnego i dolnego wahacza, a także różnymi kątami ustawienia waha­czy, konstruktor może osią­gać różną zmienność geo­metrii zawieszenia przed­niego koła w czasie ugięć resorowania. Na rys. 6 od lewej: dość dowolna zmien­ność parametrów tej geo­metrii, stały kąt nachylenia osi skrętu, ale wyraźnie zmienne wielkości wyprzedzenia, niezmienny kąt na­chylenia i stałe wyprzedze­nie. Jednak im większy skok koła, tym większe będą roz­bieżności od tych stałości. 

Stały kąt nachylenia osi X-X i stała wielkość wyprzedzenia byłyby do osią­gnięcia przy wahaczach równoległych i o jednako­wej długości. Tylko gdzie wtedy łożyskować górny wahacz? Pomiędzy głowica­mi silnika V? Ale na tym rysunku wyraźnie widać nie­korzystną relację między długościami wahaczy i ich rozstawem. 

Przypuszczam, że właśnie ta dysproporcja między długościami wahaczy i ich rozstawem, była przyczyną, dla której nie przyjął się ten system zawieszenia przed­niego koła. Natychmiast pojawiło się to, co pojawić się musiało. Ktoś musiał zadać sobie pytanie: dlaczego właściwie nie wprowadzić górnego wahacza ponad obrys koła? 

Tony Foale wykonał ten krok w przód: wyprowadził górny koniec zwrotnicy po­nad obrys koła i oparł go o górny wahacz, który na­tychmiast przyjął rozsądną, trójkątną formę z syme­trycznym ułożyskowaniem w ramie motocykla. Było to w połowie lat 80., a Yamaha najwidoczniej dobrze przyj­rzała się temu rozwiązaniu, co zaowocowało w początku lat 90. pierwszym seryjnym, rynkowym motocyklem o takim właśnie schemacie za­wieszenia przedniego (Yamaha GTS 1000, przyp. red.).