Nasze koło naukowe, oprócz projektowania, budowy i udoskonalania pełnowymiarowego motocykla PreMoto3, zajmuje się również mniejszymi konstrukcjami, badaniami oraz rozwojem oprogramowania wspomagającego procesy projektowe i analizę danych. Tym razem przyjrzymy się bliżej PitBikom, które można określić mianem mniejszych wersji „prawdziwych” motocykli. Cechują się one niższą masą i mocą oraz mniejszymi wymiarami, przy zachowaniu podobnej specyfiki jazdy. Biorąc pod uwagę znacząco niższe koszty zakupu oraz eksploatacji, są to idealne pojazdy do trenowania techniki i rozpoczęcia przygody z torowaniem. W tym artykule przedstawimy analizę dwóch najpopularniejszych ram tych pojazdów, porównamy je pod kątem sztywności oraz opiszemy nasze dalsze plany badawcze.
Czym jest sztywność konstrukcji?
Sztywność ramy motocyklowej to parametr opisujący odporność konstrukcji na deformacje pod wpływem działających na nią sił zewnętrznych. Wielkość tę definiuje się jako stosunek przyłożonego obciążenia (siły lub momentu) do wywołanego przez nie odkształcenia sprężystego (przemieszczenia liniowego lub kątowego).
Właściwości ramy motocyklowej możemy scharakteryzować za pomocą trzech rodzajów sztywności: wzdłużnej, bocznej oraz skrętnej. Charakterystyki te określamy zarówno eksperymentalnie na stanowisku badawczym, jak i numerycznie na jego wirtualnym odpowiedniku. W każdym przypadku ramę mocujemy na stałe w miejscu osi wahacza, odbierając jej wszystkie stopnie swobody. To, w jaki sposób obciążamy konstrukcję podczas poszczególnych testów, najlepiej obrazuje poniższa grafika.
Schemat obciążenia w testach sztywności skrętnej, bocznej i wzdłużnej (podpisy – tłumaczenie własne) [1]
W dalszej części artykułu skupimy się na wyznaczeniu sztywności skrętnej ram motocykli MRF 140SM oraz YCF 150SM. Podczas gdy kontrolowana elastyczność boczna pomaga w stabilizacji pojazdu, to właśnie wysoka sztywność skrętna jest fundamentem precyzyjnego prowadzenia i błyskawicznej reakcji maszyny na każdy ruch kierowcy. Właśnie w celu weryfikacji tego kluczowego parametru zaprojektowaliśmy nasze stanowisko badawcze, które możecie zobaczyć poniżej.
Stanowisko badawcze z ramą MRF
Stanowisko badawcze z ramą YCF
Od symulacji do rzeczywistości
Kluczem do sprawnego projektowania przy jednoczesnej minimalizacji kosztów prototypowania jest wirtualizacja procesu rozwoju produktu. Kierując się tą zasadą, przy pomocy tradycyjnych technik pomiarowych stworzyliśmy w oprogramowaniu CAD trójwymiarowy model ramy MRF, a następnie w środowisku Ansys Workbench wyznaczyliśmy jej sztywność za pomocą Metody Elementów Skończonych (MES).
Komputerowy geometryczny model ramy MRF
Mapa przemieszczeń w teście sztywności skrętnej
Uzyskany wynik numeryczny to 273 Nm/°. W praktyce oznacza to, że aby skręcić ramę o jeden stopień, musielibyśmy przyłożyć moment odpowiadający obciążeniu 50 kg zawieszonemu na półmetrowym ramieniu. Rezultat ten zweryfikowaliśmy na naszym rzeczywistym stanowisku. Przy powtarzalności pomiarów na poziomie 0,02 mm, uśrednione przemieszczenie ramienia w punkcie pomiarowym wyniosło 0,54 mm, co przekłada się na sztywność rzędu 256 Nm/°. Wynik ten jest bardzo zbliżony do symulacji, a niewielka różnica wynika z naturalnej podatności samego stanowiska – eliminacja tego czynnika jest obecnie jednym z naszych priorytetów badawczych.
Starcie małych gigantów: MRF vs YCF
Eksperymentalny pomiar sztywności skrętnej ramy YCF wykazał wartość na poziomie 471 Nm/°. Oznacza to, że jest ona niemal dwukrotnie (1.8 raza) sztywniejsza od podwozia MRF, mimo znacznie większych gabarytów i większego rozstawu między główką ramy a osią wahacza. Aby jednak uczciwie porównać obie konstrukcje, musimy wyznaczyć ich sztywność właściwą (stosunek sztywności do masy):
Rama MRF: przy masie 5.8 kg osiąga wskaźnik 44.1 Nm/°/kg.
Rama YCF: przy masie 8.9 kg osiąga wskaźnik 52.9 Nm/°/kg.
Wyższy wskaźnik sztywności właściwej ramy YCF dowodzi, że jej konstruktorzy lepiej wykorzystali materiał, uzyskując wyższą sztywność z jednego kilograma użytego materiału.
Silnik w stresie
W przypadku pełnowymiarowych motocykli silnik często pełni funkcję elementu usztywniającego, a w konstrukcjach takich jak Ducati Panigale jest wręcz głównym elementem nośnym. Sprawdziliśmy, czy podobna zależność występuje w świecie PitBików. Zgodnie z naszymi przewidywaniami – zaskoczenia nie ma. Wpływ silnika na sztywność tych ram jest marginalny; nie jest on elementem przenoszącym obciążenia.
PitBike vs więksi bracia
Jak te wyniki wypadają na tle maszyn wyścigowych? Literatura podaje, że dla sportowych motocykli klasy 1000cc sztywność skrętna zawiera się w przedziale od 3000 do 7000 Nm/°. Nasz autorski projekt PreMoto3 legitymuje się wynikiem w okolicach 4000 Nm/°. To pokazuje jak znaczące różnice występują pomiędzy różnymi typami podwozi – rama naszej wyścigowej maszyny jest od 8,5 do nawet 15,5 razy sztywniejsza od popularnych PitBików. Bezkompromisowa precyzja na torze jest więc nie do podważenia!
Co dalej?
W kolejnym etapie naszych badań skupimy się na precyzyjnej korelacji wyników numerycznych z pomiarami fizycznymi. Naszym priorytetem jest dokładne określenie i skompensowanie wpływu podatności samego stanowiska. Idąc o krok dalej w stronę klasycznej wytrzymałości materiałów, planujemy kompleksową analizę wytężenia obu konstrukcji. Sprawdzimy, jak rozkładają się naprężenia w kluczowych węzłach ramy, łącząc zaawansowane symulacje komputerowe z testami pod obciążeniem w warunkach rzeczywistych.
Do zobaczenia w następnym artykule!
[1] V. Cossalter, Motorcycle dynamics, Lulu, 2006.
Autorzy: Konrad Konieczny, Jan Biniewicz