Jesteśmy grupą studentów z Politechniki Wrocławskiej działających w Studenckim Kole Naukowo-Technicznym P13, która w marcu bieżącego roku rozpoczęła pracę nad projektem Moto3 Factory. Chcemy w nim zmierzyć się z wyzwaniem konstrukcji oraz budowy motocykla w kategorii najniższej klasy wyścigowej mistrzostw świata Moto3.

Należy tutaj zaznaczyć, że nie budujemy motocykla od zera. Najważniejszą gotową częścią, którą wykorzystamy, jest silnik. Mając go, możemy rozpocząć założenia projektowe dotyczące funkcji, jakie ma spełniać motocykl wyścigowy, na jakiej ramie działać i dlaczego. W tym artykule chcielibyśmy przybliżyć czytelnikom kwestie związane z naszymi doświadczeniami procesu projektowania, doborem materiałów oraz wyborem ramy, która spełni nasze wymagania.

Projektowanie

Aby rozpocząć proces projektowania, musieliśmy zdecydować, jaką jednostkę napędową chcemy wybrać. Jest to punkt wyjściowy każdego motocykla, i to od niego zależy jego ergonomia i sposób prowadzenia. Kolejnym elementem bezpośrednio związanym z silnikiem każdego jednośladu jest rama, której zadaniem jest umożliwienie pełnego wykorzystania możliwości jednostki napędowej, nadanie motocyklowi odpowiedniego kształtu, zapewniającego kierowcy wygodę jazdy na odpowiednim poziomie. Dobór właściwych materiałów i poprawna konstrukcja ramy zapewniają właściwe zachowanie motocykla podczas jazdy i gwarantują bezpieczeństwo poprzez odpowiednie przenoszenie obciążeń, sztywność i elastyczność. Aby osiągnąć te cechy, ważny jest rozmiar ramy oraz materiał, z której jest wykonana. Nasi konstruktorzy brali pod uwagę dwa metale – stopy aluminium oraz stal. Każdy z tych materiałów ma swoje zalety, które kuszą, i jednocześnie wady, które je dyskredytują. Stopy aluminium, co najważniejsze, są lekkie przy jednoczesnym zachowaniu dużej wytrzymałości. Niestety, ogromnym problemem jest łączenie aluminium, ponieważ na jego powierzchni występuje nieredukowalny tlenek aluminium, co wymaga zastosowania odpowiedniej i czasochłonnej metody obróbki. Ponadto prędzej nastąpi pęknięcie aluminiowych elementów niż ich odkształcenie, co znacząco wpływa na bezpieczeństwo jazdy. Alternatywą dla aluminium jest stal wysokowytrzymała, która przy nowoczesnych metodach wytwarzania posiada porównywalny współczynnik wytrzymałości do masy. Spawanie stali wysokowytrzymałych również przysparza trudności, ale nie tak znacznych jak aluminium. Przy zachowaniu odpowiednich parametrów można uzyskać spoiny bardzo wysokiej jakości. Bardzo dużym plusem jest jej wysoka granica plastyczności, co umożliwia duże odkształcenia sprężyste, dzięki czemu rama może uginać się podczas jazdy, zwiększając kontrolę nad motocyklem. Przekłada się to bezpośrednio na zwiększenie sterowności maszyny, przede wszystkim w zakręcie. Elastyczność ramy wpływa na tłumienie nierówności nawierzchni, przez co pojazd nie wpada w drgania.

Podczas konstruowania motocykla do budowy ramy próbowano także wykorzystać tworzywa sztuczne. Niestety z powodu przypadkowej orientacji włókien względem siebie nie zachowywały się one powtarzalnie i ciężko było przewidzieć ich zachowanie na drodze.

Jaka rama?

Kolejnym etapem projektowania motocykla jest wybór odpowiedniego modelu ramy. Prostota wykonania i łatwa dostępność sugeruje wzorowanie się na ramach rowerowych. Jednak wraz z  rozwojem techniki i wzrostem mocy silników pojawiły się ramy kołyskowe. Rama tego typu również charakteryzuje się prostotą wykonania. Duża wytrzymałość oraz rozkład sił na górę i dół lepiej chronią kierowcę podczas wypadku. Rama jest w stanie współpracować z silnikami o większych mocach i momentach obrotowych. Jej sztywność jest bardzo duża, przez co rama prawie w ogóle nie pracuje. Skutkiem tego jest brak dobrego czucia motocykla podczas dynamicznej czy wyczynowej jazdy. Z drugiej strony świetnie sprawdza się w powolnej jeździe, ponieważ zapewnia doskonałą stabilność motocykla. Niestety podczas pokonywania zakrętów nie tłumi momentu prostującego. W celu zmniejszenia kosztów najczęściej jest kształtowana z rur lub znormalizowanych profili. W latach 80., kiedy nastąpiła kolejna fala rozwoju silnika i zwiększenie jego mocy, ramy kołyskowe przestały być w stanie przenosić tak duże obciążenia mechaniczne i dynamiczne. Wtedy rozpoczęto prace nad nowym typem ram.

Najszerzej dziś używanym rodzajem ramy jest rama grzbietowa. Można ją dopasować do każdego rodzaju silnika. Wytwarzana jest najczęściej w procesie hydroformowania, ponieważ daje to możliwość nadania dowolnego kształtu i dokładne odtworzenie tego, czego oczekujemy, a tak powstała rama ma olbrzymią wytrzymałość. Dzięki tej metodzie uzyskuje się również różną grubość jej elementów, co wpływa na kontrolę elastyczności. Technologia ta sprawdza się także w produkcji seryjnej, ponieważ rama produkowana jest na jednej formie, co znacząco obniża koszty wytworzenia. Testy pokazują, że konstrukcja taka jest do trzech razy bardziej wytrzymała od innych typów. Co więcej, rama ta jest pusta w środku, dzięki czemu to miejsce możemy wykorzystać do wprowadzenia innych elementów współpracujących z motocyklem. Rama grzbietowa przenosi wielkie obciążenia, a dzięki pełnej kontroli elastyczności fantastycznie zachowuje się podczas jazdy. Pomimo tych zalet sprawia jednak technologiczne trudności wytworzenia ze względu na ograniczony do specjalnych stopów aluminium i stali wysoko ciągliwej wybór materiałów.

Kolejną dużą rodziną ram są konstrukcje kratownicowe. Nadal proste w wykonaniu, jednocześnie bardziej wytrzymałe i elastyczniejsze od ram kołyskowych. Największą zaletą tego typu konstrukcji jest ich łatwość projektowania oraz możliwość wykonania o wiele tańszego prototypu niż ma to miejsce np. przy ramie hydroformowanej. Podczas prac projektowych braliśmy pod uwagę dwie różne modele. Pierwszy był wykonany w całości ze stalowych rur, co umożliwia wprowadzanie modyfikacji oraz, w przypadku uszkodzenia, stosunkowo szybką naprawę i prostowanie. Dodatkowo dużą zaletą takiej ramy jest prosta technologia wykonania, polegająca na zasadzie gięcia i spawania. Niestety ciężka, stalowa konstrukcja wiąże się z występowaniem naprężeń spawalniczych w okolicy łączenia, co bezpośrednio utrudnia usytuowanie zawieszenia w miejscu zapewniającym najmniejsze obciążenia.

Modyfikacją tego projektu była rama z przodem na profilach rurowych i tyłem wykonanym z frezowanych blach aluminiowych tworzących płaski profil. Pozwoliło nam to na znaczne zredukowanie masy motocykla oraz otrzymanie pełnej kontroli nad drganiami konstrukcji powstającymi podczas jazdy. W związku z tym, że zależy nam na jak największej możliwości regulacji konstrukcji, zdecydowaliśmy się na możliwość zmiany położenia wahacza. To rozwiązanie zapewnia najlepsze dostosowanie elastyczności elementu nośnego jakim jest rama do wymagań toru wyścigowego. Stwarza to większe wymagania konstrukcyjne, ponieważ część stalowa odpowiada za przeniesienie większej części obciążeń niż w przypadku ramy wykonanej z jednego rodzaju materiału. Wiedząc o tym, musieliśmy dodatkowo wzmocnić jej grzbiet poprzez zastosowanie rur o większych przekrojach. Niestety ta opcja ma również swoje wady. Poza wyższą ceną wykonania, zasadniczą wadą jest wzrost sztywności całego elementu. Dodatkowo wciąż pozostaje kwestia masy, która pomimo wykorzystania aluminium wciąż jest duża, jednakże o wiele mniejsza niż w pierwszym przypadku.

Wielką zaletą projektowanej przez nas ramy jest jej modułowość, dzięki czemu w przypadku uszkodzenia części można wymienić tylko element uszkodzony, co jest dużą oszczędnością czasu i pieniędzy podczas wyścigów. Co ważniejsze wytrzymałość łączenia tylnej i przedniej części ramy nie zostanie zmniejszona, ponieważ połączenie zostanie wykonane przy użyciu śrub. W modelu, który projektujemy, ważne jest także to, aby geometrycznie pozostałe elementy były możliwie małe i cienkie (redukcja masy). Dzięki możliwościom programów komputerowych już teraz możemy modelować motocykl tak, aby unikać momentów gnących i zbyt dużych naprężeń. Aby to osiągnąć, poddajemy ramę wielu analizom matematycznym, podczas których sprawdzamy interesujące nas parametry. Pozwala nam to zaoszczędzić czas i znaczną kwotę pieniędzy, ze względu na to, iż nie musimy wykonywać rzeczywistych prototypów. Analizy MES (analizy konstrukcji metodą elementów skończonych) pozwalają przewidzieć zachowanie konstrukcji podczas jazdy. W testach bierzemy pod uwagę wiele różnych czynników. Do najważniejszych z nich należą przyśpieszenia i opóźnienia. To od ich wartości zależą najważniejsze siły działające na motocykl. Kolejnymi parametrami definiującymi obciążenia są prędkość jazdy i kąt pochylenia motocykla w zakręcie. Te dwie wartości określają momenty gnące w miejscu łączenia wahacza i ramy.

Budowa ramy to próba łączenia wody z ogniem. Z jednej strony należy zapewnić bezpieczeństwo kierowcy, a z drugiej umożliwić maksymalną frajdę z jazdy. Niestety często oba te zadania stają ze sobą w sprzeczności. Na szczęście rozwój technologii wytwarzania oraz coraz odważniejsze sięganie po nowe materiały (np. ceramika inżynierska) pozwala z optymizmem patrzeć na przyszłość konstrukcji nośnych.