Z archiwum ŚM: Skąd się bierze stabilność motocykla? Numer 3/1995

Wychylenie wańki-wstań­ki z pionowej pozycji powo­duje podniesienie jej środka masy (Rys. 1). Dlatego po­wraca ona samoczynnie do pionowego położenia, a my mówimy o „równowadze sta­łej”. W takiej bryle jak moto­cykl sytuacja jest odwrotna: po wychyleniu z pionu śro­dek masy opada, a motocykl upada. To się nazywa „rów­nowagą chwiejną”. A dlacze­go w czasie jazdy pojawia się jednak równowaga, i to ta­ka, że żeby ją zaburzyć, trze­ba dopiero zrobić trochę głupstw?

Rys.1

Motocykl poruszający się po linii ściśle prostej podle­ga równowadze tak samo chwiejnej, jak motocykl na postoju. Tu już poglądowy dowód jest trudniejszy, bo trudno kogoś namawiać, że­by w czasie jazdy „po pro­stej”, a więc przy jakiejś już szybkości, zablokował sobie kierownicę. I to nie zaciśnię­ciem amortyzatora skrętu, lecz zablokowaniem „na amen”, przypuśćmy jakimś sworzniem w ściśle pasowa­ne otwory. Wtedy jazda była­by rzeczywiście ściśle na wprost, a upadek natych­miastowy. 

Motocykl w czasie jazdy nie przewraca się tylko dla­tego, że właśnie nigdy nie jeździ po idealnej prostej. Gdy tylko zacznie chylić się w którąś stronę, musi poja­wić się równie początkowy skręt przedniego koła w stro­nę początkowego nachyle­nia. Wywoła on siłę odśrod­kową, która przywróci moto­cykl do położenia pionowego. Samoczynny skręt musi sa­moczynnie zaniknąć, gdy tyl­ko motocykl wróci do pionu. Ten cykl będzie się powta­rzał w jedną bądź w drugą stronę.

Rys.2

Stabilność motocykla (Rys. 2) w czasie jazdy polega na tym, że porusza się on mię­dzy dwiema potencjalnie działającymi siłami odśrod­kowymi. Potencjalnie znaczy to, że pojawiają się one dopiero wówczas, gdy moto­cykl zaczyna wychylać się ze swego właściwego położenia. I muszą natychmiast znikać, gdy motocykl wraca do po­przedniego położenia. Wła­ściwe położenie to takie, któ­re przy jeździe na wprost oznacza pionową pozycję. I to działa! Prawie bez inge­rencji kierowcy. W każdym razie: bez świadomej inge­rencji.

Jak to działa?

Omówimy to na klasycz­nym, widelcowym zawiesze­niu, a później postaramy się ocenić, jak to się odnosi do zapowiadanych, a częściowo już zrealizowanych „zwrot­nicowych” czy jak kto woli, „bezwidelcowych”, syste­mów.

Rys. 3

Ziemia wywiera reakcję na tę część masy motocykla, jaka przypada na przednie koło (Rys. 3). Ta siła, działa­jąca pionowo w górę, w cza­sie gdy motocykl zacznie się chylić w którąś stronę, na ra­mieniu wynikającym z wiel­kości wyprzedzenia „n” i ką­ta nachylenia widelca, skrę­ca koło w stronę zaistniałego nachylenia motocykla. 

Jednocześnie ciężar przed­niego kola i wszystkiego, co jest z nim związane: błotnik, hamulec, widelec, kierowni­ca, lampa, itd., wyobrażany przez silę ciążenia skupioną w środku masy układu stero­wego, również powoduje skręt koła w stronę zaistnia­łego nachylenia (Rys. 4). Tym bardziej, im cięższy jest układ sterowy i im jego śro­dek masy jest bardziej odsu­nięty w przód (ponad!) oś X-X.

Rys. 5

Chylący się motocykl po­ciąga za sobą także wirujące przednie koło (Rys. 5). Zasłu­gą zjawiska precesji jest to, że momentowi wymuszającemu to nachylenie przedniego koła Mw towarzyszy moment skręcający koło wokół piono­wej osi Y-Y. Takiej osi nie ma w motocyklu, więc koło skrę­ca się wokół pochyłej osi X-X. Dobrze się składa, że precesja działa właśnie we właściwym kierunku – w stronę zaistnia­łego nachylenia.

Rys. 6

Siła odśrodkowa (Rys. 6) podnosi motocykl z nachyle­nia, przeważywszy działanie wynikające z utraty jego równowagi chwiejnej. Sile odśrodkowej towarzyszą po­ziome siły reakcji Rp na przednim kole i Rt na tylnym. Siła reakcji działająca na przednie koło za osią główki ramy powoduje powrót przedniego koła do pozycji na wprost. Precesja w po­wrotnym ruchu też działa we właściwym kierunku: poma­ga wyprostować koło.

Sprawa proporcji

Tak więc trzy czynniki decydują o zachowaniu się przedniego koła, które za­pewnić musi optimum stabilności i sterowności – geometria przedniego widelca, z jej głównymi czyn­nikami: wielkością wyprzedzenia i kątem nachylenia osi główki ramy – masa widelca i oddale­nie jej środka w przód od osi główki ramy – efekt żyroskopowy kół, działający poprzez „prece­sję”, która związana jest z „momentem bezwładno­ści” przedniego koła, w głów­nej mierze zależnym od jego średnicy. Wydaje się bezdy­skusyjnym stwierdzenie, że im większa szybkość obroto­wa koła, tym większy jego efekt żyroskopowy, a więc, że małe przednie koła, obec­nie znów spotykane w moto­cyklach, z punktu widzenia sterowności nadają się ra­czej do szybkich maszyn szo­sowych niż do terenowych. I tak są stosowane.

Chodzi teraz o to, że te trzy elementy sterowności motocykla muszą być har­monijnie zgrane, jeżeli mają łącznie dać dobry efekt. Przednie zawieszenie moto­cykla jest typowym przykła­dem na to, że nie zawsze „im więcej, tym lepiej”.

Masa widelca, jeżeli jest zbyt wysunięta w przód w stosunku do osi widelca, daje złą sterowność. Przy wejściach w zakręt odczuwa się ją jako czynnik zbytnio ciągnący kierownicę w stro­nę zakrętu. Trzeba rękami wyraźnie powstrzymywać od samoczynnego zbyt duże­go skrętu. Była to typowa wada widelców trapezo­wych, zwanych z angielska ,,girder forks”. 

Rys. 7

Zarówno lżejszy i na krót­kich wahaczach przysunięty bliżej do główki ramy angiel­ski widelec trapezowy (Rys. 7), jak i typowy niemiecki wide­lec, cięższy i bardziej wysu­nięty w przód, nie dawały naprawdę dobrych własno­ści sterowności. Efekt zbyt dużego ciężaru układu stero­wego był wyczuwalny, choć oczywiście w różnym stop­niu. Rozłożenie mas wszyst­kich elementów związanych z układem sterowym (reflek­tor, błotnik, szybkościomierz i obrotomierz, ewentualnie owiewka i szyba przednia) też ma swój wpływ na ste­rowność. Tę wadę usunęły widelce teleskopowe, które choć cięższe, miały swój śro­dek masy znacznie bardziej przysunięty bliżej osi główki ramy. 

Rys. 8

Zauważmy, że widelce te­leskopowe (Rys. 8) w cięż­kich motocyklach nie są rów­noległe do osi X-X. Są one u góry przysunięte do niej, a więc jak gdyby obrócone nieco w tył wokół osi przed­niego koła. Przysunąć teleskopu nie można, bo położe­nie osi wyznaczone jest przez przyjętą przez konstruktora wielkość wyprzedzenia.

Rys. 9

Innym sposobem zmniej­szenia efektu ciężaru widel­ca teleskopowego (Rys. 9) jest równoległe przysunięcie całego widelca w kierunku osi X-X, a dla pozostawienia osi koła we właściwym miej­scu, umieszcza się ją mimo­środowo w stosunku do osi teleskopu. Zapoczątkował to Royal Enfield, później zaś wiele firm powtórzyło ten schemat.

Lekkie motocykle, z lekko budowanymi teleskopami, nie wymagały takich finezyjnych rozwiązań i np. w Jawie model J nikt nie narzekał na złą sterowność, choć tele­skop był ściśle równoległy do osi główki ramy. To samo do­tyczy wielu 125-ek i 175-ek.  

Shimmy

Znalezienie właściwego kompromisu w geometrii przedniego widelca jest o tyle ważne, że stabilność i sterowność motocykla zależy tu od pojawienia się i zanikania wzajemnie przeciwstawnych czasem sił. To zawsze grozi wzbudzaniem się drgań har­monicznych. Drgania harmo­niczne wokół osi X-X ,,spędzały sen z powiek” nie­jednemu konstruktorowi. Po­tocznie miały one nazwę „shimmy”, ale im szybszy był motocykl, tym groźniejsze mogły być skutki tego tańca. Przeżyłem to raz na trapezo­wym widelcu. Shimmy o du­żej częstotliwości dawało „amplitudę” od pełnego do pełnego skrętu w obie strony. Szybkość ok. 60 km/h. Nie chciałbym nigdy doświadczyć tego przy 100 km/h.

Ostatnie rozwiązania z widelcami teleskopowymi zniweczyły ten efekt w takim stopniu, że zaprzestano zaopatrywać te systemy w amortyzator skrętu kie­rownicy.

Zjawisko „shimmy” zak­tualizowało się ponownie w latach 1955-1960, kiedy świat motocyklowy, zniecierpliwiony pewnymi wadami w dziedzinie resorowania, jakie wniósł ze sobą teleskop, usiłował przejść na układ wi­delca wahaczowego. Ten układ miał umożliwić uwol­nienie się od wewnętrznego tarcia, jakie towarzyszy pra­cy teleskopu. I uwolnił. Ale wahacz łożyskowany poza obwodem koła, a takich rozwiązań było najwięcej, spo­wodował, że rozbudowany musiał być aż poza koło najcięższy, nośny element wi­delca.  

Rozbudowanie wahaczo­wego widelca w tył (Rys. 10) spowodowało przemieszcze­nie środka ciężkości układu sterowego aż poza oś główki ramy, a więc negatywne działanie jednego z czynni­ków sterowności motocykla: ciężaru układu sterowego.

Zaczęto wobec tego roz­budowywać w przód wszyst­ko, co się dało: reflektor z licznikiem itd. Poza tym powiększono radykalnie wy­przedzenie, żeby zwiększyć jego skuteczność wobec ne­gatywnego działania ciężaru układu sterowego. Sprawa się nie udała. Motocyklowy świat wszedł znów w okres groźby „shimmy”.

Okazało się, że właściwe­go współdziałania nie da się zastąpić zwiększeniem prze­ciwdziałania jednego z czyn­ników przeciwko dywersji drugiego. Zastosowano znów amortyzator skrętu, tym ra­zem na ogół hydrauliczny, a więc teoretycznie lepszy niż cierny, ale wszelkie opory w układzie sterowym, gdzie w skrajnych warunkach wy­maga się wielkiego wyczucia ze strony kierowcy, okazały się niedopuszczalne. Na miękkich gruntach i na śli­skich nawierzchniach ich obecność była wyrazme szkodliwa i jazda stawała się znów bardziej niebezpiecz­na. Pojawiła się tendencja do bocznych uślizgów przednie­go kola.

Zresztą, skłonność do „shimmy” wynikła nie tylko ze zmniejszenia efektu cięża­ru sterowego aż do wartości ujemnych, lecz także z faktu większego rozrzucenia mas tego układu z dala od osi ob­rotu: od osi główki ramy. To w fizyce nazywa się „mo­mentem bezwładności” ukła­du względnego osi X-X.

Zdarza się w technice, że nowy system, pojawiający się w aureoli czegoś bardzo no­woczesnego, budzi uśpionego już chochlika. Wahacz w przednim widelcu obudził dawną zmorę: ,,shimmy” (Anglicy nie używali tego an­gielskiego słowa, lecz mówili o „steering wobble”).

Ujemne działanie ciężaru układu sterowego w wyniku przemieszczania jego środka masy poza oś X-X można ła­two rozpoznać: trzeba motocykl postawić na stojaku cen­tralnym, tak żeby przednie koło oderwało się od na­wierzchni. Jeżeli przednie kolo pozostaje stabilne w po­łożeniu na wprost, a wychy­lone z tego położenia wraca samoczynnie do niego, to oznacza, że środek masy układu sterowego znajduje się poniżej osi główki ramy. Poniżej, tzn. za. 

„Zataczanie” się motocykla

Wspomniane na początku tych uwag siły, działające w kierunku pożądanego skrętu przedniego koła w stronę początkowego chyle­nia się motocykla, a następ­nie decydujące o powrocie koła do położenia na wprost, gdy motocykl powraca do pionowej pozycji, muszą działać natychmiast w odpo­wiednim momencie i równie natychmiast zanikać. Tym­czasem wszelkie tarcie w układzie skrętu wokół osi główki ramy stara się opóźnić te minimalne ruchy układu sterowego wokół osi X-X aż do momentu, gdy siły będą w stanie to tarcie przezwy­ciężyć. 

Dlatego jazda ze zbyt mocno dociągniętymi łoży­skami w główce ramy lub z dociągniętymi amortyzato­rami skrętu, zwłaszcza przy małych szybkościach, jest trochę „pijana”: motocykl ma tendencję miarowo kołysać się w lewo i w prawo. Przy wysokich szybkościach zja­wisko to nie występuje: prece­sja obracającego się kola objawia się tak szybko i w tak dużym wymiarze, że opóź­nienia w działaniu pozosta­łych, bardziej statycznych sił, nie dochodzą już do głosu. 

Myślę, że z tego powodu nikt nigdy nie usiłował ciernie łożyskować główki ramy. Ni­gdy do dziś. Dziś cierne łoży­skowanie skrętu koła pojawia się w nowych „zwrotnico­wych” zawieszeniach. Nie w główce ramy, bo jej nie ma w tych systemach, ale w każ­dym razie w łożyskowaniu skrętu koła. Bo oś X-X musi pozostać w każdym układzie, niezależnie od tego, co ją wy­znacza: główka ramy czy inne elementy zawieszenia. Cieka­we, jak sprawa tego tarcia ujawnia się w praktyce.