Redukcja wagi motocykli. Lekkość w cenie

W poprzedniej części „techniki” przedstawiłem ewolucję budowy poszczególnych podzespołów motocykli w czasie ostatnich trzech dekad, niejako nawiązując do 30-lecia naszego tytułu. Teraz pozostanę w zbliżonym przedziale czasowym – jest on dla wielu starszych czytelników wręcz namacalny, a dla młodzieży nie będzie stanowić wycieczki w czasy prehistoryczne. Tym razem skupię się jednak na kwestii ograniczania wagi motocykli i ich poszczególnych podzespołów.

Lata dziewięćdziesiąte – początek odchudzania

Prawdziwy boom na ciężkie motocykle zaczął się jeszcze w latach siedemdziesiątych. Pod koniec tej epoki powstał Kawasaki Z 1300, chyba najlepszy katalogowy przykład ciężkiego motocykla… sportowego. Tak! W tamtych czasach ten ważący 314 kg (ze zbiornikiem zatankowanym do połowy) kolos mógł być tak określany. Silnik Kawasaki generował 120 KM, co pozwalało rozpędzić się do ponad 220 km/h, a „ćwiartkę” mili robił w niecałe 12 sekund.

Wszystko pięknie wyglądało na papierze, ale w rzeczywistości Z 1300 był motocyklem bardzo trudnym do okiełznania. Jego bardzo ciężka stalowa rama nie była w stanie zagwarantować odpowiedniej sztywności. A musiała być tak potężna, by udźwignąć masywny 6-cylindrowy silnik. W taki oto sposób inżynierowie doprowadzili do sytuacji zbliżonej do schematu węża zjadającego własny ogon. Ciężki silnik wymagał większej mocy, tę z kolei potrafiono uzyskać tylko poprzez zwiększenie pojemności skokowej.

Dlaczego wywołałem do tablicy właśnie Kawasaki Z 1300? Jest to moim zdaniem najbardziej klasyczna, a zarazem przerysowana konstrukcja. Co ważne – konstrukcja jak na swoje czasy niezwykle nowoczesna. Przeskoczmy zatem te 3 dekady i zobaczmy, jak powstają współczesne motocykle i dlaczego nierzadko ważą połowę tego co Z 1300.

Ducati zaskakuje. Włoskie motocykle zawsze były lekkie, ale teraz Ducati przechodzi samo siebie. W Panigale V4 ma szczątkową ramę, egzotyczne materiały, silnik jako element nośny i wiele elementów z karbonu.

Aluminium, stal czy włókna węglowe

Stal, czyli stop żelaza z węglem i innymi dodatkami mającymi wpływ na jej parametry, może wydawać się materiałem idealnym. Jest jednocześnie plastyczna i łatwa do obróbki, a z drugiej strony odpowiednio twarda i sprężysta. Niestety ma dużą masę, co wpływa na wagę wykonanych z niej elementów. Dzisiaj inżynierowie potrafią obejść ten problem, ale w latach osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych budowano wręcz pancerne ramy wykonane z ciężkich, grubościennych rur.

Stopy aluminium z kolei są dużo lżejsze od stali, ale przy zachowaniu tej samej objętości nie gwarantują równie dużej wytrzymałości. Konstrukcja musi więc być nieco masywniejsza. Elementy aluminiowe są też sztywniejsze, a zarazem bardziej kruche. W dużym uproszczeniu – rama stalowa podczas wypadku najczęściej się odkształca, a aluminiowa pęka.

Wielkoseryjna kariera ram aluminiowych zaczęła się w 1985 roku wraz z pojawieniem się Suzuki GSX-R 750. Do dzisiaj aluminium jest głównym budulcem ram i wahaczy motocykli sportowych. Powstają z niego także elementy silnika czy przedniego zawieszenia. Jednym słowem – lekkie stopy aluminium są dzisiaj głównym budulcem nowoczesnego motocykla.

Lekki silnik to efekt tysięcy zmiennych. Krok po kroku udało się doprowadzić jednostki napędowe do niezwykłej lekkości. Jednocześnie coraz częściej motor stanowi element nośny.

Od lat z powodzeniem stosuje się także stopy magnezu, tytanu czy włókna węglowe. Szczególnie te ostatnie stają się hitem, wychodząc z roli kosztownych ozdobników. Dzisiaj karbon jest budulcem całych owiewek, felg, a w motocyklach wyczynowych także ram (z powodzeniem włókna węglowe stosuje KTM w swoich maszynach MotoGP).

Same materiały nie odpowiadają jednak za sukces motocyklowej kuracji odchudzającej. To tylko materiał, który trzeba odpowiednio ukształtować. I właśnie w tym procesie inżynierowie pokazali najwięcej umiejętności.

Dwie konstrukcje, jedno podejście

Superlekkie pokrywy magnezowe miała już pierwsza Honda CBR 900RR. To właśnie w tamtym czasie (połowa lat dziewięćdziesiątych) dwóch motocyklowych geniuszy zaczęło głośno mówić o tym, że to niska waga i zwartość konstrukcji da przewagę w sporcie. Pierwszym z nich był Tadao Baba, twórca wspomnianej CBR. Drugi to Massimo Tamburini odpowiedzialny za kultowe Ducati 916. Oba motocykle w chwili swojej premiery były o kilkadziesiąt kilogramów lżejsze niż dotychczasowe sprzęty konkurencji. Co ciekawe, w Ducati zastosowano teoretycznie cięższą stalową ramę. W praktyce udało się jednak uzyskać niezwykle filigranową, a zarazem wytrzymałą konstrukcję. Kluczem do sukcesu okazało się wykorzystanie cienkościennych rur stalowych, z których zbudowano konstrukcję przestrzenną zbliżoną kształtem do ramy aluminiowej.

Stalowa rama wcale nie odeszła do lamusa. Dzięki nowoczesnym konstrukcjom przestrzennym może być równie dobra i lekka jak aluminiowa.

Kompaktowy silnik

Silnik Kawasaki Z 1300 to prawdziwy mastodont. Jednostka jest długa, szeroka i bardzo wysoka, ciężkości dodaje także napęd tylnego koła przekazywany wałem. Dzisiaj już się tak nie buduje motocykli. Liczy się zwartość konstrukcji, co przekłada się także na niską wagę. Pod koniec lat dziewięćdziesiątych nowe podejście zapoczątkowała Yamaha w swoim flagowym superbike’u YZF-R1. Silnik został maksymalnie skrócony, a skrzynia biegów powędrowała tuż za cylindry. Jej wałki nie są ułożone w osi łączenia karterów silnika, a powyżej (piętrowo).

Takie odchudzanie silników to proces niezwykle złożony. Tak jak wspomniałem wcześniej, liczą się nie tylko materiały, ale też rozwiązania konstrukcyjne. Zmiana chociaż jednego elementu prowadzi do ewolucji innych podzespołów. Przykładem niech będzie skok tłoka – dzisiaj systematycznie ograniczany w stosunku do średnicy cylindra. Krótszy skok tłoka to niższa prędkość jego poruszania. To z kolei daje pole do popisu dla odchudzenia wału korbowego.

Z biegiem lat tłoki stawały się coraz niższe i lżejsze. W połączeniu z kutymi czy tytanowymi korbowodami daje to możliwość dalszego odchudzania konstrukcji. Zwarte kartery silników mające zintegrowane bloki cylindrów są lekkie i bardzo mocne. Na próżno szukać w nich żeliwa, gdyż powłoka cylindra pokryta jest warstwą spieków. Aluminiowy silnik lepiej oddaje ciepło, można więc zastosować cieńszy płaszcz wodny, z którego płyn wędruje do optymalnie wyprofilowanej, lekkiej, ale bardzo wydajnej chłodnicy. I tak to działa. Element za elementem silniki stają się coraz lżejsze, a jednocześnie wytrzymalsze pod względem sztywności konstrukcji. Z czasem w wielu modelach korpus jednostki napędowej stał się elementem nośnym, w ekstremalnych przypadkach całkowicie zastępując jednolitą ramę.

Szczątkowa rama Ducati 1199 Superleggera wykonana jest ze stopów magnezu. Waży niewiele więcej niż podobnych rozmiarów klocek styropianu!

Nowe podejście – rama do lamusa

W wielu współczesnych modelach mamy do czynienia z klasyczną stalową ramą kołyskową. To rozwiązanie jeszcze długo nie zniknie z rynku, głównie ze względu na niskie koszty produkcji. Trzy dekady temu ramy tego typu rzadko kiedy były wystarczająco sztywne. A dzisiaj jest dobrze! Jak to możliwe? Pomocny okazał się właśnie lekki silnik, nieobciążający konstrukcji, a wręcz ją wzmacniający. Nie bez znaczenia są także komputerowe metody projektowania pozwalające na bardzo precyzyjną analizę sił działających na całą konstrukcję. Lata temu wszystko było liczone w tradycyjny sposób (nawet jeśli do pomocy stosowano komputery). Efekty takiej przesadnej walki o zbicie kilogramów było widać pod koniec lat 90. i na początku XXI wieku. Aluminiowe ramy pękały na potęgę, szczególnie przy częstym gumowaniu. Po prostu inżynierowie nie zostawili odpowiedniego buforu bezpieczeństwa.

Jest jednak coraz więcej współczesnych motocykli, w których nie znajdziemy klasycznej ramy w formie szkieletu, do którego podwieszany jest silnik i zawieszenie. To jednostka napędowa staje się centralnym elementem nośnym, do którego montuje się przednie i tylne zawieszenie. Sztandarowym przykładem może być ewolucja ram motocykli Ducati. Jeszcze na początku lat dwutysięcznych mieliśmy charakterystyczne dla tej włoskiej marki konstrukcje kratownicowe. W 1199 Panigale mamy już konstrukcję typu Monococue. Przednia część ramy to aluminiowy element będący tak naprawdę krótkim łącznikiem główki z głowicami silnika. Z drugiej strony mamy filigranowy zadupek i wahacz montowany w samym silniku.

Kucie i frezowanie. Specjalne, zaawansowane metody obróbki pozwalają uzyskać superlekkie elementy.

Podobna ewolucja spotkała Monstera – od pełnej ramy kratownicowej, poprzez rozwiązania szczątkowe, na elemencie aluminiowym kończąc. Nowy Monster ma 111 KM, ale nie to czyni z niego prawdziwego zawadiakę, lecz waga wynosząca 188 kg z paliwem (166 kg na sucho). Szczątkowe ramy ma też duży BMW GS. W najnowszym 1300 tylna część to konstrukcja aluminiowa, a silnik niezmiennie od lat jest konstrukcją nośną.

Diabeł tkwi w szczegółach – technologie i materiały

Nie bez znaczenia jest także sposób obróbki materiałów. W topowych motocyklach znajdziemy wiele elementów z kutego aluminium, które zastępuje tradycyjne odlewy. Proces odkuwania zwiększa nieco gęstość stopu, ale dużo ważniejsze jest uzyskanie większej wytrzymałości i dokładności wykończenia. Bardzo często kute elementy poddaje się obróbce CNC (frezowanie). Mamy wtedy połączenie optymalnego materiału z niezwykle precyzyjną obróbką. Przykładem takiej technologii są ażurowe, bardzo lekkie i wytrzymałe górne półki przedniego zawieszenia.

BMW M 1000 RR jest przykładem wykorzystania kompozytów opartych na włóknach węglowych. Wykonano z nich nie tylko owiewki, ale też felgi.

Ostatnie lata to także szybki rozwój materiałów alternatywnych. Ducati miało epizod z magnezem, z którego stopów zbudowało 1199 Superleggera. Z tego materiału powstała szczątkowa rama, felgi i wiele innych elementów. Ale prawdziwym sukcesem i przyszłością w konstrukcji motocykli są kompozyty wykorzystujące włókna węglowe. Tego materiału znajdziemy na potęgę w Ducati Superleggera V4 czy najnowszych BMW M 1000 RR.

 Co dalej? Wago, pozwól żyć!

Odchudzanie motocykli doszło do takiego etapu, że włodarze serii wyścigowych zaczynają wprowadzać ograniczenia. Dużo się mówi o planach przepisów WSBK, w myśl których motocykl obecnego Mistrza Świata będzie musiał nosić 6 czy nawet 7 kg balastu. W MotoGP mówi się o zmniejszeniu pojemności skokowej silników do 850 cm3, gdyż obecne jednostki są zbyt mocne. W cywilnych konstrukcjach walka o kilogramy zdaje się słabnąć – wszyscy raczej zastanawiają się nad przyszłością spalinowej motoryzacji.

Zdjęcia: Ducati, KTM, BMW