Jak działa motocykl: Wszystko o ramach motocyklowych

Rama motocykla to kolejny element motocykla, który ma łączyć przeciwności. Powinna być sztywna, ale nie w 100%, lekka, ale też odporna na skręcanie, a przy tym łatwa w produkcji i niezbyt droga, ale niewyglądająca na tandetną.

Na początku XX wieku nazwa ramy wiele mówiła o jej wyglądzie. Klasyczne podwójne ramy kołyskowe otaczały silnik i skrzynię biegów, dzięki czemu na zespół napędowy działały minimalne siły skręcające i gnące. Często w celu zminimalizowania wibracji silniki montowano w ramach na elementach gumowych – silent blockach. Zapobiegało to przenoszeniu wibracji z silnika na podwozie. Dodatkowe u sztywnienie zapewniały tej konstrukcji długie śruby mocowań silnika, przechodzące z jednej strony ramy na drugą.

Oprócz podwójnych ram kołyskowych dość popularne były konstrukcje z wytłoczek blaszanych łączonych za pomocą spawów (jak np. w motocyklach Kreidler RS czy NSU Max), ramy jednorurowe (skutery, lekkie „125” i motocykle enduro) czy ramy grzbietowe. Te ostatnie niemal do perfekcji doprowadził Szwajcar Fritz W. Egli. Dzięki niemu wiele mocnych japońskich czterocylindrowców mogło w pełni pokazać swoje możliwości.

Grzbietowa rulez
Pomysł na ramę grzbietową polegał na tym, że konstruktorzy wzięli podwójną ramę kołyskową i po prostu odcięli rurowe podciągi. Sztywność uzyskali, mocując silnik w co najmniej trzech punktach. Przykładem tego rozwiązania może być fi ligranowa rama grzbietowa Hondy CB 72, produkowanej w latach 1959-1966. Bloku silnika jako elementu nośnego ramy użyto już pod koniec lat 50. Dzięki temu obniżono masę, oszczędzono na materiałach i uzyskano dobrą sztywność. Nic dziwnego, że z czasem ta konstrukcja zdobywała coraz większą popularność w motocyklach sportowych. Dzisiaj jest wśród nich standardem. Nawet w Ducati zrezygnowano z ramy kratownicowej z rur stalowych i od 2011 r. w 1199 Panigale stosuje się grzbietową ramę typu monocoque ze stopów aluminium. Dlaczego? 

W momencie spawania elementy ramy są zamocowane w specjalnym stelażu, który uniemożliwia odkształcenia i zmianę wymiarów	W seryjnej produkcji do spawania ram najczęściej są używane roboty. Człowiek w dalszym ciągu potrafi zrobić ładniejsze spawy.
W momencie spawania elementy ramy są zamocowane w specjalnym stelażu, który uniemożliwia odkształcenia i zmianę wymiarów	W seryjnej produkcji do spawania ram najczęściej są używane roboty. Człowiek w dalszym ciągu potrafi zrobić ładniejsze spawy.

Do tej pory tego typu rama, wykorzystująca silnik jako element nośny, była lekka i zapewniała wystarczającą stabilność, a przy tym we włoskim stylu wyglądała obłędnie, inżynierowie z Bolonii bronili więc jej jak lwy. Jednak po 2010 roku, gdy zaszła potrzeba przeniesienia osiągów nowej V-dwójki Superquadro (195 KM przy 10 750 obr/min, 132 Nm przy 9000 obr/min), uznali, że doszli do ściany, tzn. wyczerpali wszystkie możliwości konstrukcji kratownicowej. Stąd rama grzbietowa. Ten zabieg (przynajmniej na razie) dotyczy tylko Panigale. Wszystkie inne Dukaty ciągle mają charakterystyczną i – przyznasz – piękną kratownicę.

Pod koniec lat 80. inżynierowie Yamahy dokonali małej rewolucji – w FZR-ze 750 R (OW 01) optymalnie wykorzystano odporność na skręcanie ramy, ponieważ silnik zamocowano w niej zupełnie na sztywno, bez elementów gumowych. Jednak bloki silników musiały zostać wzmocnione, żeby bez szwanku przenosiły siły skręcające. Obawiano się utraty szczelności cylindrów i głowic. Z tego powodu niektórzy producenci wykonują silniki mające być elementami nośnymi w formie monobloku, w którym blok cylindrów wraz z częścią skrzyni korbowej jest odlewany jako całość.

Konstruktorzy ustalają wiele parametrów ramy, które decydują o zachowaniu motocykla w czasie jazdy. Potem nie można ich zmienić. (Wyjątkiem jest Aprilia RSV4, która ma regulację kąta główki ramy, wysokości osadzenia silnika czy punktu mocowania wahacza). Te niezmienne parametry decydują o geometrii, ale także o tak pozornie banalnych sprawach, jak promień skrętu czy wysokość kanapy.

W przypadku ramy grzbietowej CBR-y 900 RR SC 50 (prawe górne zdjęcie powyżej) Honda poszła jeszcze krok dalej – podobnie jak Ducati ułożyskowano wahacz w bloku silnika. Dzięki temu można było mocno skrócić ramę, czyli obniżyć jej masę. 

Deczko elastyczności
Tyle że taka budowa szkodzi elastyczności ramy. A wbrew pozorom jest ona niezbędna. Zawieszenia, koła i opony, zwłaszcza w maszynach sportowych, są coraz twardsze i pracują pod bardzo dużymi obciążeniami (złożenia do 60° i wartości opóźnienia w czasie hamowania dochodzące do 14 m/s²). To oznacza, że nie są w stanie absorbować wszystkich uderzeń i nierówności. Wcześniej konstruktorzy dążyli do uzyskania maksymalnej sztywności, ale od połowy lat 90. zmienili zdanie – teraz chodzi o kompromis między sztywnością a elastycznością.

Rama grzbietowa zapewnia niższą masę, oszczędność na materiałach oraz odpowiednią sztywność. Czyli trzy w jednym.

Jeśli sztywność jest za wysoka, cierpią komfort jazdy oraz feedback. W okolicy główki rama powinna nieco pomagać widelcowi elastycznością w kierunku pionowym, czyli przy krótkich, mocnych uderzeniach (sztywność wzdłużna). Ta elastyczność ramy w przypadku sztywności wzdłużnej jest z reguły znacznie większa niż w przypadku sztywności bocznej.

Żeby było trudniej, ta podatność nie może oddziaływać na stabilność sprzęta podczas hamowania. Z pomocą przychodzą wspawane lub odlane za główką poprzeczne wsporniki zapobiegające rozchodzeniu się profili ramy pod wpływem nacisku, za bardzo nie usztywniając  ramy w płaszczyźnie poziomej. Jeśli nie zostanie zastosowana zasada trójkąta, wtedy główka ramy, która jest poddana obciążeniu znacznie przewyższającemu jedną tonę, wywiera taki nacisk, że poprowadzone po zewnętrznych stronach silnika rury ramy lub profile odginają się na zewnątrz. Przy użyciu komputera można zrobić symulację tych problemów, mimo to sprawa jest tak skomplikowana, że łatwo coś przeoczyć. Dlatego tak ważne są jazdy testowe.

Sztywniej/elastyczniej
Połączenie niezbędnej sztywności i zamierzonej elastyczności konstruktorzy uzyskują przez zastosowanie ścianek i profili o różnych grubościach. Dzięki temu zabiegowi ramy maszyn sportowych mogą mieć zmienianą sztywność w zależności od masy jeźdźca i ukształtowania toru wyścigowego. Takich zmian można dokonywać za pomocą dokręcanych usztywnień i poprzecznych połączeń. Nie wierzysz? Wystarczy posłuchać, co mówią technicy teamów startujących w MotoGP, którzy na jeden wyścig wzmacniają ramy, na kolejny osłabiają, a na następny – dzięki zastosowaniu jeszcze większej ilości materiału lub elementów karbonowych – doprowadzają sztywność do granic możliwości. Po co? To jasne – po to, by urwać setne części sekundy z czasu okrążenia.

To, w jakim stopniu nowoczesne ramy maszyn sportowych poddają się obciążeniom, widać na rysunkach i po różnych wartościach skręcania i sztywności przedstawionych na następnej stronie.

Rama musi przenieść ogromne przeciążenia. Pomyśl o maksymalnym hamowaniu z pasażerem, kiedy widelec dobija w maszynie turystycznej o masie 380 kg z dwoma osobami.

Oto zadanie godne geniusza, stojące przed konstruktoramiram. Przez lata, a nawet dziesięciolecia rama musi miliony razy wytrzymać działanie potężnych sił, dlatego materiał, z którego jest wykonana, musi mieć odpowiednią wytrzymałość zmęczeniową, tzn. pod wpływem obciążeń nie ma prawa się odkształcić ani tym bardziej pęknąć. Już to jest jak kwadratura koła. A przecież jest jeszcze pogoń za redukcją masy. Wszystko to można porównać do zabawy zapałkami nad beczką pełną benzyny.   

Dane dotyczące sztywności pochodzą od producentów, dlatego nie zdradzamy typów i marek. Infiormacje w tej ramce odnoszą się do maszyn przygotowywanych do wyścigów. Wartości oddają elastyczne odkształcenia ramy (w milimetrach) lub kąt skręcenia (w stopniach).

Sztywność boczna (mierzona w niutonach na milimetr – N/mm): zamocowaną na łożysku wahacza ramę wraz z silnikiem (element nośny) obciąża siła boczna działająca horyzontalnie na główkę ramy. Przy tym główka ramy oddziałuje w przeciwną stronę. Tak jak w sprężynie, siła jest mierzona w niutonach na milimetr odkształcenia. Przykład: gdy główka aluminiowej ramy superbike’a jest obciążona siłą 2923 niutonów (co odpowiada około 286 kg), rama ulega bocznemu ugięciu o 1 mm.
Sztywność wzdłużna (mierzona w niutonach na milimetr – N/mm): także tu zespolony element rama/silnik jest zamocowany na łożysku wahacza. Główka ramy jest obciążana od dołu w kierunku pionowym, więc rama wygina się do góry. Przy obciążeniu 1017 niutonów (ok. 99,7 kg) główka ramy odkształca się o 1 mm do góry. Do tego wygięcia ramy jest potrzebna mniejsza siła niż w przypadku sztywności bocznej.
Odporność na skręcanie (w niutonometrach na stopień kąta skręcenia – Nm/°). Przyło żona do łożyska wahacza siła działa na środkowy punkt główki ramy przez dźwignię o długości 1 m. Moment obrotowy skręca główkę ramy z jego pozycji pionowej. Żeby główkę aluminiowej ramy superbike’a przekręcić o 1^o, należy siłę 6480 niutonów (635 kg) przyłożyć do dźwigni o długości 1 m.    

Co w ramie jest najważniejsze:
Podczas prac nad ramą konstruktorzy muszą zdecydować o wielu parametrach. Wśród muszą uwzględnić:

• pozycję silniki i mas wirujących w płaszczyźnie pionowej i poziomej, co ma wpływ na środek ciężkości i rozkład mas
• kąt i pozycję główki ramy w płaszczyźnie pionowej, co przekłada się na rozkład mas i rozstaw osi
• wysokość osadzenia łożyska wahacza i wysokość/ odległość od tylnej zębatki łańcucha, co wpływa na współpracę zawieszenia z łańcuchem i rozstaw osi
• odporność na zginanie, sztywność boczną i odporność na skręcanie.
• wytrzymałość zmęczeniową, która jest testowana podczas symulacji jazdy na tzw. stanowisku pulsacyjnym
• maksymalne naprężenie niszczące przy ekstremalnym obciążeniu; najczęściej ustala się je na poziomie o wiele wyższym w stosunku do sił występujących podczas normalnej jazdy