Rám je základním prvkem motocyklového šasi. Drží vlatně celý ten kolotoč pohromadě na silnici. Cílem tohoto a následujících článků je seznámit vás s materiály a konstrukcemi, které se používají při výrobě motocyklových rámů. Starší konstrukce, které nejsou pro dnešní sportovní motocykly aktuální nebudeme dále rozebírat, ale budeme se věnovat hlavně hliníku a karbonu a to v pokračování této série.
Motocyklový rám - alfa a omega ovladatelnosti
Když to vezmeme od základů, je to jednoduché. Rám drží pohromadě jednotlivé díly motorky, jako sedlo, motor a podvozek. Na druhou stranu musí mít ideální tvar a musí být dostatečně tuhý, co nejlehčí a co nejpřesněji vyrobený se správnou geometrií.
Bavíme-li se o motocyklu s konvenčním zavěšením s dvouramennou kyvnou vidlicí a předními teleskopickými vidlemi (včetně USD vidlic), je základním parametrem rámu kolmá pozice krku řízení k uložení kyvné vidlice, což může znít jako jasná věc. Rám by měl taktéž do určíté míry (říkáme do určité, vysvětlení později) minimalizovat pružení a ohýbání. Pokud má být motocykl stabilní zatáčce, nebo i na rovině, je důležité, aby obě kola držela stejnou stopu, tedy aby byla neustále zachována kolmost krku řízení a uložení kyvné vidlice. I velmi malý pohyb v uložení kyvné vidlice může způsobit problémy, které jsou násobeny její délkou. Čím delší kyvná vidlice, tím větší je rozdíl stop. Na co se dost často kašle je vybité uložení zadní kyvné vidlice se moc to neřeší (no schválně :-)). Stejný problém způsobí měkký rám, který se v zatáčce zkroutí. Následkem je houpání a vlnění pří průjezdu zatáčkou. Přední a zadní kolo totiž v tomto případě volí trochu jinou stopu.
Takto nějak vypadaly nákresy prvních typů rámů.
Moderní rámy jsou z valné většiny velmi dobré a poskytují dostatečnou ovladatelnost. Rané motocyklové rámy vycházejí z jízdních kol. Nebylo to nic jiného než pár ocelových trubek, svařených do tvaru kosočtverce, ve kterém visel motor. Jak se zvětšoval výkon motorů a zvyšovala se dosahovaná rychlost, začaly se objevovat první primitivní systémy odpružení. Namáhání rámu se zvětšovalo a designéři přidávaly materiál, aby zvýšili tuhost rámů a zamezili jeho kroucení a tím nestabilitě motocyklů. Se silami působícími na rám při brzdění a akceleraci bylo prostě potřeba se nějak vyrovnat. Někteří konstruktéři to pochopili správně, jiní ne - výsledkem pak byly rámy, které byly těžké, ale nebyli tuhé.
Tuhost versus tvrdost
Je jednoduché tyto dva pojmy zaměnit. Naše definice je následujícící. Tvrdost charakterizuje odolnost materiálu, jako je ocel nebo hliník, vůči prasknutí. Ocel je tvrdší než hliník. Je těžší zlomit kus oceli, než kus hliníku. Tuhost, na druhou stranu, je vlastnost struktury a popisuje její odolnost vůči deformaci. Vezměte třeba nějaký časopis, srolujte jej do ruličky, položte na hranu stolu a na něj naskládejte třeba knížky. Udrží jich v porovnání s nesrulovaným časákem hodně. Materiál a jeho tvrdost je stejná, nicméně válcovitý tvar je extrémně tuhý.
Materiály
Motocyklové rámy se vyráběly z různých materiálů v průběhu let. Od základního ocelového rámu přes uhlíkové vlákno. Bylo toho hodně.
Ocel
Ocel je vynikající materiál z mnoha důvodů. Je tvrdá, jednoduše zpracovatelná a levná. Na druhou stranu je těžká a náchylná ke korozi. Do raných osmdesátek se používala snad všude, díky dobrému poměru cena/výkon. Ocelové rámy ve šedesátých a sedmdesátých letech používali obecně kolébkovou konstrukci. Motor podpírala jedna či dvě ocelové trubice, které vedly dolů z krku řízení pod motorem a dozadu ke kyvné vidlici. Páteřní trubka většího průměru se pak táhla nad motorem. Problémem bylo dosáhnout u takovýchto zaoblených tvarů dostatečné tuhosti. Řízení bylo bídné a plavaté. Dvoutaktní Kawasaki z těchto dob používaly obří tlumiče řízení k pohlcení brutálního vlnění způsobeného silnými motory a pokulhávajícími rámy.
Stavba lehkého a pevného rámu z oceli vyžaduje tuhý tvar nosníku (ideálně tedy trubka) a jejich vzájemné vhodné uspořádání. Vhodným tvarem je trojúhelník. Trojúhelníky jsou pevné, protože aby se jejich tvar změnil, musí být deformovány v rozích a jedné přímce. Naproti tomu třeba obdélník stačí zdeformovat pouze v rozích a vznikne rovnoběžník (kosočtverec).
Malé firmy jako Harris, Bimota a Moto Martin stavěli rámy s krátkými trubkami spojenými do trojúhelníkových konstrukcí k přidání tuhosti. Tyto rámy byly drahé a ne vždy praktické, ale odměnou bylo mnohem lepší charakteristika řízení, než jaké v té době poskytovaly běžné rámy japonské výroby.
K dokonalosti tuto techniku přivedla, jak jinak, Ducati. Její supertuhé superbiky od 851čky z roku 1987 až k moderní 1098R používaly všechny trojúhelníkové sekce z krátkých ocelových trubek.
Hliník
Hliníkové nosníky jsou použity snad v každém moderním rámu a není těžké pochopit proč. Hliník váží třetinu toho, co ocel, takže ho při stejné váze můžete použít třikrát tolik. Více materiálu umožňuje vytvořit pevnější tvar, takže díl o stejné váze můžeme vytvořit mnohem tužší. První hliníkové rámy, jako třeba původní GSXR-750, byly vytvořeny z vytlačovaných obdélníkových trubkových sekcí, které byly spojeny s litými hliníkovými sekcemi krku řízení a kyvné vidlice. Cílem bylo obepnout motor tak, aby hliníkové nosníky tvořili co nejrovnější linii mezi krkem řízení a kyvnou vidlicí.
Litý hliník, ocel
K moderním metodám výroby rámu patří použití velkých litých částí. Chytré návrhy, spočítané pomocí počítačových programů, dovolují inženýrům dostat materiál tam, kde je ho potřeba a minimalizovat nadbytečný materiál tam, kde ho potřeba není, takže jsou díly lehčí, ale stále velmi pevné. Další vylepšení této technologie vedlo k použití tlakového lití, což dále zpevnilo lité sekce a ušetřilo více váhy.
Hliník versus ocel
Vraťme se na chvíli do roku 2003 a 2004 a zabrusme do seriálu WSBK. Honda a Ducati, dva odlišnýmé rámy - ocelovým trubkový a hliníkový deltabox. V paddocku kolovaly zvěsti, že za úspěchem Ducati stojí nemalou měrou jednoduchost, s jakou se dá jejich motocykl nastavit. Vypadalo to, jakoby byl trubkový ocelový rám méně náchylný na dokonalé nastavení a oproti hliníkovým rámům odpouštěl chyby. Někteří jezdci dokonce tvrdili, že ocelové rámy jim dávají lepší pocit na motocyklu, což je velmi důležitý, leč špatně měřitelný prvek.
Rok 2003 a 2004 se dá ve WSBK označit jako "Ducati Cup". V roce 2003 vyhrála 998 20 závodů z celkových 24.
Proč by měla být ocel jednodušší na nastavení motocyklu? Odpověď můžeme nalézt v cyklistice. Dlouhá léta se věřilo, že hliníková kola "jedou" lépe, než ocelová. Teorie byla taková, že část energie vyvinutá do pedálů se u ocelových kol vytvratila do průhybu materiálu, což u tvrdšího hliníku nenastávalo. Později se zjistilo, že ocelové rámy fungují podobně jako pružiny, s průhybem absorbují energii, ale tato energie je "pozvolna" uvolněna zpátky s návratem do původního tvaru. Pokud tuto informaci aplikujeme do světa motocyklů, zjistíme, že energie, kterou nepohltí podvozek, je pohlcená ocelovým rámem, který ji oproti hliníku uvolní zpět postupně, ne tak naráz. To znamená, že oba motocykly se budou chovat při ideálním nastavení stejně, ale ocelový rám dokáže lépe kompenzovat nedostatky v nastavení motocyklu.
Honda CBR 1000RR z roku 2004
Japonské továrny tomuto fenoménu, tedy pohlcení vibrací rámem moc dobře rozumí a v minulosti vyvíjely velké úsilí konceptu "laditelné pružnosti" hliníkových rámů. Tak jako tak, možná kvůli rozdílu, jakým ocel a hliník pohlcují energii, to vypadá, že ocelové rámy mají větší rozsah přijatelného nastavení. Hliníkový rám se může chovat lépe nebo stejně tak dobře jako ocelový, ale rozsah nastavení je mnohem užší. Najít správné nastavení je prostě složitější. To může vysvětlovat, proč mají hliníkové rámy obvykle dlouhý vývojový cyklus.
Pokud zahrneme do rovnice "pocit" z materiálu, bude diskuze ještě složitější. Obecně se věří, že ocel má vhodnější charakteristiky, než hliník, z hlediska šíření jistých frekvencí a vibrací, které jezdcův mozek zpracovává jako odezvu a pocit z jízdy. Toto se těžko dokazuje, ale vysvětluje to prohlášení jezdců, kteří tvrdí, že se jim na ocelovém rámu jede lépe. Tak jako tak, jak ocel tak hliník dokáže vyhrávat závody, ale vypadá to, že motocykly s ocelovými rámy fungují již "z výrobního pásu", což vysvětluje rychlý úspěch Ducati Desmosedici.
Karbonové vlákno
Zdá se jako nejvhodnější materiál. Jedná se o kompozit, můžeme tedy libovolně měnit tuhost v různých místech a různých osách deformace a to jen změnou směru vláken a jejich tloušťkou. Ohledně karbonových rámů a obvzláště Desmosedici GP9, první motorce, která s tímto řešením vyhrálá závod MotoGP, si povíme v samostatném článku.
Tvary a rozdělení motocyklových rámů
Dobrá, upřímně přiznáváme, že tato část už nebude tak zábavná. Nicméně pokud si chcete udělat v jednotlivých typech rámů trochu jasno (možná vám v tom uděláme větší zmatek) pokračujte ve čtení. Informace o typech rámů byly čerpány z publikace Rámy a odpružení motocyklů od Prof. Ing. Františka Vlka, DrSc., Vysoké učení technické v Brně, fakulta strojního inženýrství, ústav dopravní techniky.
Vzorem pro stavbu motocyklového podvozku se stalo jízdní kolo. V první vývojové etapě byla ponechána i šlapadla a pouze střední část rámu byla upravena pro montáž motoru. Později dochází k nutnému zesilování a vyztužování vlastního rámu a k přestavbě pevné přední vidlice na odpruženou. Klasický jednoduchý uzavřený trubkový rám s přední paralelogramovou vidlicí byl po desítiletí nejúspěšnější koncepcí řešení podvozku motocyklu. Teprve v padesátých letech minulého století převládají teleskopické nebo výjimečně kyvné přední vidlice nad vahadlovými a začíná i rozmach strojů s odpruženým zadním kolem – nejdříve krátkou dobu s kluzákovým odpružením a později s kývačkou
Podle uspořádání nosné části podvozku se dělí jednostopá motorová vozidla na motocykly se samonosnou nástavbou a s nosným rámem. Samonosné nástavby budeme úplně ignorovat, jelikož se používají většínou u skůtrů a malých motocyklů, což je celkem mimo náš záběr.
V minulosti a v současnosti se u motocyklů použivaly nebo používají tyto hlavní typy rámů:
- jednotrubkové
- lisované
- odlévané
- mostové
- kolébkové
- dvoutrubkové
- mřížové
- páteřové
Nosné rámy motocyklů se dělí na trubkové, lisované, lité a kombinované.
Trubkové rámy
Trubkový rám je pro motocykl velmi vhodný. Je lehký, má vysokou pevnost a při správné konstrukci i dostatečnou tuhost. Navíc je lze vyrábět v malých sériích, není potřeba nákladných forem. Tyto rámy jsou sestaveny z několika kusů trubek různého průřezu spojených svařováním, Zvlášť namáhané rámy se někdy po sváření žíhají pro odstranění vnitřního pnutí. Podle konstrukce můžeme trubkové rámy dělit na uzavřené a otevřené (motor nahrazuje část rámu), dále na jednoduché, rozdvojené a dvojité.
Pevnostně namáhaná místa, a to nejčastěji okolí spojení trubek, bývají zesilována navařením rovných nebo tvarovaných výztuh ze stejného nebo podobného materiálu jako jsou trubky rámu. Nejmohutnější bývají u spojení hlavy rámu s trubkami. Hlavní zásadou při konstrukci těchto výztuh je jejich tvarování tak, aby v žádném místě trubky nedošlo ke koncentraci namáhání.
Jednoduché rámy
Jejich hlavní nevýhodou je menší tuhost vůči bočním deformacím a úzké nebo málo tuhé uchycení kyvné vidlice. Trubka pro uložení kyvné vidlice může sice být upevněna k trubce rámu plechovými nebo trubkovými výztuhami, ale i vlastní rámová trubka se při větším namáhání na krut deformuje.
Dvojité rámy
Dvojité rámy mají dvě základní rámové trubky vedle sebe i v přední horní a dolní části rámu. Do hlavy rámu jsou tedy zakotveny čtyři trubky, čímž se dosáhne pevnějšího a tužšího spojení. Základní rámové trubky vedoucí vedle sebe musí být od sebe dostatečně vzdálené, aby se získala náležitá prostorová tuhost. Dvojitý rám je vhodný především pro široké uložení zadní kyvné vidlice i pro upevnění motoru, stojánku, stupaček a zadních šikmých rámových trubek. Nevýhodou dvojitých rámů je vyšší cena, obtížnější svařování tenčích trubek a špatně přístupných míst u hlavy rámu a nutnost širokého tunelu v nádrži.
Rozdvojené rámy
Rozdvojené rámy jsou dvojité jen v některých svých částech; je to vždy v místě uložení zadní kyvné vidlice. Rozdvojení rámu začíná nejčastěji pod motorem a končí až pod sedlem, avšak běžné je i řešení s dvojitou celou přední a spodní částí, takže jednoduchá trubka je pouze pod nádrží.
Otevřené rámy
Prapůvodní návrhy braly motor a rám jako dvě oddělené entity, jejich návrhy spolu nijak nekorespondovaly. Ale počínaje Hondou CBR900RR z roku 93, spolu začínají jednotlivá oddělení spolupracovat s výslednou synergií mezi oběma díly - rámem a motorem. Když se nad tím zamyslíte, motor je přeci docela pevný kus kovu, proč jej nepoužít z vyztužení rámu? Snadněji se to řekne, než udělá, použití motoru jako nosného prvku způsobuje problémy s vibracemi a údržbou, ale i ty byly překonány. Krásným příkladem budiž Ducati 1198.
Otevřené rámy (obr. 22) využívají pevnosti odlitků skříně motoru a někdy i celého motoru jako nosného prvku rámu. Otevřené rámy mohou být opět všech dříve uvedených typů, ale jejich společným znakem je přerušení spodních nosných trubek a možnost jednoduché montáže motoru do rámu. Výhodou otevřených rámů je někdy nižší hmotnost a cena, nevýhodou u méně pečlivého řešení menší tuhost. Zvláštním druhem trubkových rámů jsou páteřové rámy , které jsou vlastně modifikací rámů otevřených. Základ zde tvoří dvě trubky kruhového, obdélníkového nebo oválného průřezu obvykle většího profilu. Tyto trubky vycházejí z hlavy rámu, probíhají nad motorem a končí u horních závěsů zadních pružících. jednotek.
Lisované rámy
Lisované rámy jsou druhou skupinou rámů, která našla v motocyklové výrobě široké uplatnění, a to především v oblasti lehkých strojů, vyráběných velkosériově. Výhodou lisovaného rámu je možnost volby libovolného profilu, který se svaří z plechových výlisků. Tvar profilu se může přesně přizpůsobit průběhu namáhání.Nevýhodou lisovaných rámů je nutnost zhotovení nákladných nástrojů na výrobu výlisků. Konstrukce lisovaných rámů je přizpůsobena technologii jejich výroby, a proto jde téměř výhradně o různé druhy páteřových rámů. Základním prvkem lisovaného rámu je uzavřený tvarovaný profil ukončený vpředu hlavou rámu a vzadu dvěma tenčími lisovanými nosníky k upevnění sedla, blatníku, horních ok pružících a tlumicích jednotek. Hlavní nosný profil má uprostřed mohutný výběžek, který z něho vystupuje plynulými přechody a slouží k zavěšení motoru, čepu kyvné vidlice a stupaček. Zvláštním druhem jsou lisované rámy, kde hlavní nosnou část tvoří dva rovnoběžné profily, které se spojují v zakotvení do hlavy rámu. Tyto nosné průřezy běží většinou těsně nad skříní motoru a mohou svým tvarem přispět i k chlazení válce, popř. válců. Výhodou tohoto řešení proti obvyklému typu lisovaného rámu je tužší uložení motoru i čepu kyvné vidlice a vytvoření dostatečného prostoru pro nádrž; jeho nevýhodou je složitost a často i větší hmotnost. Kromě lisovaných ocelových rámů, které se svařují z jednotlivých dílů, sestávají mnohé motocyklové rámy stále z ocelových trubek s kruhovým průřezem. Teprve v současné době se ve větší míře začaly používat hranaté a profilované zesílené trubky. Konstrukční trubky jsou vždy tenkostěnné, bezešvé a z vysoce jakostního materiálu.
Lité rámy
Výhodou je možnost volby požadovaných tvarů i průřezů, avšak odlitek je výrobně značně náročný. Používají se jakostní slitiny lehkých kovů. Např. mostový rám motocyklu Honda VFR 750 F je celý z hliníku a váží pouhých 14 kg. Ocelový mostový rám motocyklu Kawasaki GPZ 1000 RX oproti tomu váží 20 kg, ačkoliv jeho zadní část je také hliníková. Lehké rámy lze však vyrábět i bez použití hliníku; důkazem může být mřížový trubkový rám motocyklu BMW K 100 o hmotnosti 11,3 kg. U tohoto stroje všem vydatně pomáhá rámu s nosnou funkcí i podvozek a motor. Nevýhodou hliníkových rámů je jejich vysoká výrobní cena, nutnost kombinování a nesnadného spojování (svařování hliníku je obtížnější) odlévaných a kovaných dílů a nakonec i omezená možnost oprav. K tomu všemu se ještě připočítávají problémy s tuhostí a elastičností konstrukce. Zprohýbaný hliníkový rám lze sice vyrovnat, ale hliník a zejména jeho vysokopevnostní legované slitiny mají malou elastičnost a pnutím vznikajícím při rovnání může materiál popraskat. Proto je lepší zprohýbaný hliníkový rám vyměnit. Hliníkové rámy stojí v průměru dvakrát tolik, co odpovídající rámy ocelové. Vývoj lehkých rámů není samozřejmě u konce, protože do motocyklové techniky stále více pronikají moderní spojovací a konstrukční materiály budoucnosti, jako kompozity, titan apod.
Tímto naťuknutím v současné době nejpoužívanějšího typu rámu u moderních sportovních motocyklů pro dnešek končíme. V následujích článcích se podíváme na karbonové vlákno a jeho neúspěch v MotoGP.
