Technika motocyklu - Karbonový rám GP9

Autor: Roman Kadlčík |  Kategorie: Technika |  17. 2. 2016

Určitě si na to pamatujete. Je rok 2009, Casey Stoner suveréně vítězí na Ducati Desmosedici GP9 s karbonovým rámem. Vypadá to, že je Ducati neporazitelná, i když se již ví o problémech s předním kolem. Nikdo jiný ovšem není schopný italskou bestii zkrotit, ani legendární Valentino Rossi s Jeremy Burgessem, člověkem, o kterém se tvrdilo, že přinutí k poslušnosti každou motorku. Kde se stala chyba? Byl použitý materiál v podobě karbonového vlákna opravdu tím problémem?

Karbonové vlákno

V roce 1981 John Barnard postavil první karbonové šasi pro F1 Mclaren MP4-1. Tento nový kompozitní materiál si získal spoustu pozornosti. Velmi tuhý, třikrát tvrdší a více než čtyřikrát lehčí než ocel. V průběhu dvou let se karbonové vlákno stalo hlavním konstrukčním materiálem ve světě F1. Nicméně na poli motocyklů se karbon prosadil po skoro třiceti letech... Casey Stoner získal první vítězství na Ducati Desmosedici GP9 s karbonovým rámem a zadní kyvnou vidlicí v Qataru 2009. Byl to další technologický úspěch italské firmy po boku desmodromického ovládání rozvodů a technologie kontroly trakce. V průběhu dvou let se stal karbon nejpoužívánějším materiálem v MotoGP... Nebo snad ne?

Proč hliník nestačí?

V roce 1990 narazili konstruktéři na opačný problém, než s jakým se do té doby potýkaly. Motocyklové rámy byly předtím příliš měkké, nachylné ke kroucení a ohybu. Nestačili držet krok s vysoce výkonnými motory, kterými začly továrny své stroje osazovat. Motocyklové rámy se díky novým výrobním technologiím a použitým materiálům stávaly stále tužšími. V určitém bodě nastal zlom. Příliš tvrdé rámy způsobovaly třes a vibrace, které se dostavovaly zvláště v zatáčkách, kdy přestává fungovat odpružení, protože na něj síly působí v jiné rovině. A tak se začal v oblasti motocyklových rámů vyvíjet koncept pružnosti. Pokud rám pruží, absorbuje při náklonu motocyklu některé nerovnosti, ale musí být pořád dostatečně tuhý, aby udržel motorku stabilní při akceleraci a brzdění. Po nástupu čtyřtaktní éry vyvíjeli inženýři enormní úsilí v nalezení přesných hodnot pružnosti ve specifických místech, zatímco se znažili zachovat tuhost tam, kde byla potřeba.

Yamaha sází na osvědčený hliníkový rám

Co tedy potřebujeme? Chceme mít možnost "ladit" pružnost použitého materiálu. Výhody tradičního hliníků jsou dostatečné známé - lehkost a jednoduchá zpracovatelnost. Ale jak se inženýři MotoGP dostávali ve vývoji dále a dále, začali narážet na limity do té doby nejvíce používaného materiálu, hliníku. Pokud budeme hliníkové nosníky ztenčovat, v určitém bodě lze dosáhnout požadované pružnosti jen na úkor tuhosti. Tento problém se dá obejít vytvořením delších tlustých nosníků, čímž umožníme váze (obyčejně váze motoru) větší páku a tedy větší průhyb, aniž bychom přišli o tuhost.

Ocelový trubkový rám

V době, kdy zbytek světa opouštěl trubkové rámy a přecházel na dvojitý kolébkový hliníkový rám, vydala se Ducati jiným, důmyslným směrem. Místo toho, aby "zabalila" motor do hliníkového deltaboxu, vytvořila Ducati podpůrný rám z krátkých trubkových trojúhelníkových sekcí a použila motor jako součást rámu. Výhody? Šasi šlo relativně lehce naladit změnou průměru a umístění jednotlivých trubkových sekcí a přemístěním zátěže a pružnosti na danou sekci. Šest let používala Ducati tento rám, než přešla na karbon.

Trubkový ocelový rám Ducati 1098

Co ji k tomu vedlo? Trubkový rám s trojúhelníkovými sekcemi limitoval místo pro airbox. Jeho velikost a tvar se musel přizpůsobit rámu. Další nevýhodou bylo, že rám byl složen ze zhruba 20 sekcí spojených 40 sváry. Vyrobit svár v dané tvrdosti je mírně řečeno těžké a čím více svárů, tím větší je výsledná odchylka od požadovaného výsledku. Jak potvrdil Casey Stoner, dvě stejné Desmosedici se stejným nastavením se nikdy nechovaly stejně. Fámy tvrdí, že rozdíl v tuhosti celé soustavy činil až 15 %.

Karbon je to pravé

Odtud tedy plynulo rozhodnutí Ducati přejít na karbon. Výhody oproti ocelovému trubkovému rámu jsou různé. Karbon je kompozitní materiál, může být vyroben v jakémkoliv tvaru, jeho pružnost a tuhost může být měněna prakticky bez omezení kombinací směru vlákna a tloušťky karbonové vrsty. Je neuvěřitelně lehký, tvrdší než kov a pružnost a tvrdost může být utvořena tak, že bude různá v různých osách a směrech, což jde u kovů těžce.

Kupříkladu přední část karbonového rámu GP9 měla dvě funkce. Sloužila jako airbox a jako podpůrný rám. Rám musí být lehký a tvrdý, airbox musí být dostatečně velký aby nakrmil 800ccm bestii vzduchem při 20.000 ot/min. Pečlivým výpočtem požadované tuhosti v různých rovinách a osách - dostatečně tuhý pod brzdami, dostatečně poddajný aby pružil ze strany na stranu při plném náklonu, aby absorboval nerovnosti, zato torzně tuhý - lze najít vhodnou kombinací vrstev karbonových vláken o různém směru a takovýto díl vyrobit.

Přední část karbonového rámu GP9 sloužila i jako airbox

Názory, že je karbon příliš tuhý pro motocyklový rám, jsou mylné. Karbonový kompozit lze vyrobit tak tuhý a tvrdý, jak to designér požaduje a to jen různou tloušťkou a směrem vláken. Vemte si například rybářské pruty, přijdou vám moc tuhé?

Tvrdost není problém

Problém tedy není v tvrdosti, ale v tom, jakou odezvu karbon poskytuje oproti konvenčnímu hliníku. Vlastnost v souvislosti s karbonem nejvíce skloňovaná, je hysterze. V tomto případě popisuje míru s jakou je absorbovaná energie šířena materiálem. Jednou z výhod karbonu je, že může být vyroben tak, aby pohlcoval vibrace, to znamená že podnět (například hrbol na silnici) může být přenesen kontrolovaně. Ťukněte do hliníkové trubky a rozezní se jako zvon. Ťukněte do karbonové a uslyšíte tupé zadunění.

I kyvná vidlice byla z karbonu

Toto byla vlastnost, kterou se Ducati snažila ovládnout a o které věřili, že jim pomůže s vibracemi, ale měla nechtěný vedlejší efekt. Nežádoucí vibrace sice zmizí, s ním ale i veškeré informace, které mohly tyto vibrace poskytnout. Informace z asfaltu by se měli dostat přímo do mozku jezdce s co nejmenším zkreslením. Každé řešení, které pozměňuje informace přenášené od předního kola, jezdce mate. Ten je není schopen správně vyhodnotit a  musí se znovu naučit je správně interpretovat. Veškeré předchozí zkušenosti s řízením motocyklu jsou tak naprosto k ničemu.

Přesně toto se stalo Cagivě v roce 1990.

Poprvé v Brně

První použití karbonového vlákna jako strukturální komponenty motocyklu na úrovni MotoGP uvedla Cagiva v roce 1990 při Velké ceně České republiky. Jednalo se o model C590, dvoudobý motocykl o objemu 500ccm, u kterého se poprvé přišlo na to, že přílišná tuhost rámu má dopad na ostatní aspekty motocyklu. Karbonový rám se zúčastnil pouze dvou závodů s Randy Mamolou a Ronem Haslamem za řídítky a bylo od něj upuštěno už po dvou závodech. Nastavení podvozku a odezva od karbonového rámu byla od základu jiná a standardní úpravy vůbec nefungovaly. Celá motorka vyvolávala více otázek, než odpovědí.

První a poslední karbonové šasi v éře 500ccm, pro závody bylo povážováno za příliš tvrdé

Jezdci, zvyklí na konvenční hliníkové šasi, prostě nebyli schopni porozumět odezvě, kterou od motorky dostávali. To je jeden z problémů, který stál za koncem karbonového rámu u Ducati. Možná prostě příliš pohlcoval a pozměňoval informace od předního kola. Nebo opačně, mohl předávat informací víc, než na co byl jezdec zvyklý.

Ducati dokázala karbonový rám "naladit" tak, že jej bylo možno řídit, tedy aspoň pro Caseyho Stonera, který dodnes tvrdí, že karbonový rám má obrovský potenciál. Pro zajímavost na předsezónim test v Jerezu, na trati, kterou Casey nijak zvlášť nemiloval, vylepšil v ne úplně ideálních podmínkách traťový rekord o 1,5 vteřiny. Karbonová Ducati taktéž trpěla na nedostatek tepla v přední pneumatice. Ačkoliv tento problém nemusel být přímo spojen s karbonových rámem, ale s nedostatkem (spíše zmatkem) informací, které jezdec dostával, což mu neumožňovalo na motorku dostatečně tlačit, aby přední pneumatiku zahřál.

Je chyba v materiálu?

Pokud není chyba v použitém materiálu, možná je problém jeho použité množství. Hlavní rozdíl mezi rámem Desmosedici GP9 a třeba Yamahy M1 nebyl ani tak materiál, jako použití motoru jako namáhané části rámu. Tam, kde japonci používají dlouhé hliníkové nosníky spojující krk řízení se zadní kyvnou vidlicí, má Ducati krátkou, krabicovou sekci přišroubovanou na hlavy válců jejich 90 stupňové V4ky. Napojení je přímé, bez žádných mezikusů.

Výhodou tohoto řešení je, že používá motor jako velmi tuhou část rámu, samotné šasi je pak velmi lehké. Jak přední tak zadní část rámu jsou přišroubovány přímo k motoru. Motor neobjímají hliníkové nosníky, motorka je pak velmi úzká a materiálu je použito minimum. Je zajištěna stabilita při brzdění a odpadá použití dalšího dílu (airboxu), váha je stlačena jak jen to jde.

Nejtypičtější pád na Ducati, ztráta přilnavosti předního kola

Kritika tohoto návrhu směřovala na délku použitých částí a komplikace, které to způsobuje s ohledem na požadovanou pružnost. Často se citují slova Masaa Furusawy, génia, který stál za M1čkou - šasi musí být ohebné jako strom. Delší nosníky vytvářejí větší páku což umožňuje dosáhnout precizněji požadované pružnosti. Vezměte do ruky plastové pravítko a uchopte jej za oba konce. Jde lehce zohnout aniž by prasklo. Uchopte jej ve středu a zkuste to znovu. Ohyb bude prakticky minimální a pravítko praskne.

Protiargument k tvrzení výše je fakt, že použitím karbonového vlákna nepotřebujeme dlouhé nosníky. Karbon se dá "programovat". Správným mixem vrstev, směru a pryskyřice bychom měli být schopni replikovat totožné vlastnosti, jako u dlouhých  hliníkových nosníků. Není důvod dělat karbonové nosníky dlouhé.

Bod ohybu

Ačkoliv je karbon bezpochyby velmi univerzální materiál, hraje v uvedené kritice podstatnou roli. Kvůli tak krátkému rámu musí přenést značnou část zátěže motor, který je podstatně tvrdší, než rám. Musí taky vydržet těch šílených 230 koní, které v něm cválají a přenést je na zadní kolo bez toho, aniž by se rozlétl na kousky. To znamená, že šasi se skládá ze dvou oddělených části s úplně jinými vlastnostmi z pohledu pružnosti a tuhosti. Rám, který je vyroben tak, aby byl dostatečně pružný v požadovaných situacích je přišroubován ke zcela tuhému motoru, který nepruží prakticky vůbec. Středová část desmosedici je jak mramorový kvádr, zato přední a zadní rám jsou nadneseně jako ze dřeva.

Klasický hliníkový rám má dva dlouhé nosníky vedoucí z krku řízení a obepínající motor až k zadní kyvné vidlici. Karbonový rám Ducati sice může poskytovat stejné množství pružnosti, jako tradiční hliníkové řešení, ale problém je v místě bodu ohybu. Hliníkový rám má bod ohybu uprostřed motocyklu, zatímco u Ducati tvoří střed motocyklu tvrdý motor, karbonový rám se ohýbá v předu a  vzadu. Pocit z řízení musí být naprosto odlišný. než na japonských strojích. Tento fakt mohl dále přispět k zmatení jezdců. Řešení, které Ducati vymyslelo bylo možná prostě příliš nekonveční a ani ti nejlepší mechanici a jezdci, si s ním nebyli schopni poradit. Stoner byl v té době velmi mladý závodník. Nemělo ho co "zkazit".

Ducati to s karbonem vzdala a vrátila se k hliníkovému rámu, i když zachovali karbonovou kyvku

Před dvaceti lety předpovídali lidé uhlíkovému vláknu zářnou budoucnost. Extrémně lehký, zato velmi tuhý. Karbon poráží hliník ve všech papírových parametrech. V praxi? Jeho čas v mainstreamovém využití asi ještě přijde.

O autorovi

Roman Kadlčík

Šéfredaktor webu Okruháři.cz a motocyklový instruktor na Okruhových dnech na SPZkách. Zaměřuje se na techniku jízdy a techniku motocyklu. Bývalý závodník a vítěz Czech Endurance Cupu 2 v roce 2011.

roman@okruhari.cz