NÁVRH KYVNÉ VIDLICE ZADNÍHO KOLA MOTOCYKLU SVOČ FST Petr Křesťan Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, Plzeň, Česká republika

Transkript

1 NÁVRH KYVNÉ VIDLICE ZADNÍHO KOLA MOTOCYKLU SVOČ FST 2016 Petr Křesťan Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, Plzeň, Česká republika ABSTRAKT V dnešní době kdy lidí na naší zeměkouli přibývá, sériová výroba nabírá na obrátkách a my lidé žijeme jako klony ostatních, tak se zvyšuje touha lidí po individualizaci a tím i zájem o originální a jedinečné výrobky. Cílem tohoto projektu celkově bylo stvoření unikátní motorky, která se bude naprosto lišit od standardní sériové výroby a nabídne volný a nesvázaný design, který sériová výroba neumožní, zachovají se a nebo se zlepší jízdní vlastnosti a sníží se hmotnost stroje. Náplní této práce byl návrh alternativní konstrukce kyvné vidlice zadního kola. Z designových důvodů bylo nutné pozměnit rám použitého sériového motocyklu. KLÍČOVÁ SLOVA motocykl, kyvná vidlice, tlumič, pružina, mechanika, MKP, NASTRAN, SIEMENS NX, YAMAHA ÚVOD Kyvná vidlice je součástí podvozku a slouží k uchycení zadního kola k rámu a k vedení zadního kola. Je odpružena a tlumena jednou centrální pružinou s tlumičem, nebo dvěma bočními pružinami s tlumiči. Tlumící a pružící jednotka je uchycena na jednom konci k rámu a druhým koncem ke kyvné vidlici. Uložení pružící a tlumící jednotky ovlivňuje jízdní vlastnosti a reakce přenášené na kyvnou vidlici a na rám. Při nevhodném uložení tlumicí-pružící jednotky mohou vznikat extrémní momenty na pružící a tlumící jednotku, takže je nutné zvýšení tuhosti a koeficientu tlumení výměnou pružiny a tlumiče. Přičemž je dosti možné, že v daných rozměrech již nebude možné vyrábět pružiny a tlumiče s vyššími hodnotami. Nedostatečný koeficient tlumení může způsobit rozkmitání zadního kola a ohrozit řidiče na životě, zatímco nízká tuhost zhorší komfort z jízdy. Ve výsledku navrhnuté řešení kyvné vidlice a její uložení musí splňovat dané podmínky. [5] PODMÍNKY KONSTRUKCE Úprava původní kyvné vidlice nedestruktivním způsobem Snížení hmotnosti neodpružené hmoty Snížení celkové hmotnosti rámu a motocyklu Zachování nebo zlepšení jízdních vlastností NÁVRHY VARIANT Varianta 1: Konvenční dvouramenná zadní vidlice Jedná se o nejrozšířenější typ kyvné vidlice. Tato vidlice je sestavena ze dvou ramen, která jsou odpružena dvěma tlumiči, každý na jednom rameni. Tlumiče jsou nastaveny na určitý úhel v závislosti na kyvné vidlici. Výhodou konvenční dvouramenné kyvné vidlice je jednoduchá konstrukce, malé reakční síly přenášené do rámu, snadný odvod tepla vznikající v pružících a tlumících jednotkách a velkou výhodou je velká amplituda pohybu tlumícípružící jednotky, která je téměř rovna svislé amplitudě pohybu zadního kola, čímž vznikají velké kompresní a extenzivní rychlosti tlumičů. Největšími nevýhodami jsou omezené vertikální oscilační amplitudy zadního kola a malá progresivní tuhostní charakteristika. Velkou nevýhodou jsou různé síly od obou pružících-tlumících jednotek, které jsou vyvolané buď různým předpnutím obou jednotek nebo různými fyzikálními hodnotami pružin a tlumičů, tento problém způsobuje špatné fungování podvozku, díky vznikajícím momentům, které torzně namáhají kyvnou vidlici. Tento problém se dá zmírnit příčkou vloženou mezi ramena kyvné vidlice.

2 Obrázek 1:Konvenční dvouramenná zadní vidlice s uložením v rámu Obrázek 2: Sestava zadního podvozku Varianty 1 Varianta 2: Konzolová zadní vidlice Tato vidlice je poskládaná ze dvou ramen a konzolové části, na které je uchycena centrální tlumící a pružící jednotka. Výhodou konzolové zadní vidlice je lepší nastavitelnost podvozku díky jednomu tlumiči, menší neodpružená hmota, velká tuhost v ohybu a v krutu a velká výchylka pohybu zadního kola. Toto odpružení zadního kola nedosahuje progresivních tuhostí a pozice tlumící-pružící jednotky nad motorem nebo za motorem může způsobovat problémy s odvodem tepla z tlumiče. Obrázek 4: Konzolová zadní vidlice s uložením v rámu Obrázek 3: Sestava zadního podvozku Varianty 2 Varianta 3: Zadní vidlice s pákovým mechanismem a s centrální tlumící a pružící jednotkou Tyto mechanismy odpružení jsou schopny dosáhnout lepších progresivních vlastností. Nejčastější konstrukce jsou založené na čtyřčlenných mechanismech. Jednotlivé typy mechanismů tohoto odpružení jsou od sebe navzájem rozdílné jen umístěním uchycení tlumící-pružící jednotky. Může být uchycená mezi rámem a pákou (UniTrak Kawasaki) nebo mezi spojovacím článkem a rámem (ProLink Honda) a nebo mezi pákou a kyvnou vidlicí (Full Floater Suzuki). Je zachována minimální neodpružená hmota, jsou dosaženy velké výchylky zadního kola a velké reakční síly jsou přeneseny přes části mechanismů. Nevýhodou tohoto systému je samotná komplikovanější konstrukce mechanismu a je nutno více dílů. Přímo tato varianta pákového mechanismu je inspirována experimentálním návrhem z osmdesátých let.

3 Obrázek 5: Zadní vidlice s pákovým mechanismem a s centrální tlumící a pružící jednotkou Obrázek 6: Sestava zadního podvozku Varianty 3 Výběr optimální varianty Posouzení optimální varianty probíhalo podle výběrové tabulky, kde vyšla nejlépe Varianta 2 Konzolová zadní vidlice. Z praktického hlediska Varianta 3 byla vyhodnocena jako nerealizovatelná, díky nedostatku prostoru pro pružící-tlumící jednotku v původní vidlici, problématickému analytickému řešení a komplikovanější výrobě. Tabulka 1: Rozhodovací tabulka pro výběr optimální varianty BYLA VYBRÁNA VARIANTA 2 VÝBĚR PRUŽÍCÍ-TLUMÍCÍ JEDNOTKY A URČENÍ JEJÍHO ÚHLU NATOČENÍ Při výběru tlumicí-pružící jednotky byl dán předpoklad malého stlačení pružiny při statickém zatížení vlastní hmotností motocyklu a řidiče, rozložení hmotnosti na zadním kole v poměru mz =0,55,kde mz je hmotnost naměřená na m zadním kole a m je celková hmotnost motocyklu. Tato hodnota pochází z naměřených hodnot na původním motocyklu a očekávaná hmotnost motocyklu m je 220 kg a s řidičem mr je 300 Kg. Byla řešena mechanická analýza ternárního členu, který tvoří konzolová kyvná vidlice, kde byla určena závislost úhlu natočení pružiny na reakční síle od pružiny na ternární člen. Pro mechanickou analýzu zvolíme sílu působící na zadní kolo podle vztahu, F k =m r g mr hmotnost motocyklu s řidičem g gravitační zrychlení. mz/m rozložení hmotnosti motocyklu mz (1) m

4 Výsledkem je zátěžová síla Fk působící na zadní kolo o síle 1618 N. Z momentové podmínky k bodu uložení kyvné vidlice byl odvozen vzorec pro závislost úhlu natočení pružiny na reakční síle od pružiny: F P= F k cos (β) r 1 (2) sin(α) r 2 x +cos (α) r 2 y síla [N] Obrázek 8: Popis analytického řešení úhel [ ] Obrázek 7: Charakteristika závislosti úhlu natočení pružiny na reakční síle od pružiny Obrázek 9: Grafické řešení Analytický výpočet byl podpořen grafickým řešení viz. obr 9. Z vypočtené charakteristiky byl určen optimální úhel natočení tlumiče o úhlu 37. Síla od pružiny vyšla o hodnotě 3270 N. Byla vybrána provizorní tlumící-pružící jednotka z motocyklu YAMAHA FZ1 s pružinou o lineární tuhosti 103N/mm. Z čehož plyne, že při zatížení hmotností motorky a řidiče klesne pružina přibližně o 32 mm. Bude dost pravděpodobně nutné vyměnit pružinu za tužší přibližně o hodnotě 150 N/mm, aby pokles pružiny byl na 20 mm jako u továrních motocyklů.[1][2][3] MKP ANALÝZA Stanovení Okrajových podmínek Pro získání dynamických sil byl uvažován přejezd překážky o výšce 30 mm při rychlosti 100 km/h. Z prostého kinematického řešení kdy předpokládáme zdvih kola ve vertikálním směru o 30 mm a zachování horizontální rychlosti, vychází hodnoty akcelerace přes 30 g. Výsledek není nesmyslem, ale extrémní sílu pohltí pneumatika viz. obr. 10. Proto byla dynamická síla určena ze stlačení pružiny a tlumiče, jež mají hodnoty tuhosti k=103 N/mm a tlumení c=365 Ns/mm viz obr. 11. Stlačení pružící-tlumící jednotky bylo vypočteno pomocí goniometrických funkcí o hodnotě 14,8 mm viz. obr. 12. Reakční síla působící od tlumiče byla vyhodnocena N a přepočtená hodnota reakční síly od zadního kola byla N.

5 Obrázek 10: Kinematické řešení [1]. Obrázek 11: Absorbce rázové síly pneumatikou [2]. Obrázek 12: Závislost stlačení pručící-tlumící jednotky na zdvihu kyvné vidlice Výpočtový model U této úlohy bylo předpokládáno symetrické zatížení a uchycení. Proto byla řešena jen polovina modelu a byl zjednodušen odstraněním nepodstatných rádiusů, ploch a děr. Obr 13. Obrázek 13: Výpočtový model oranžovou barvou je vyznačena konzole Obrázek 14: FEM - Nasíťovaný model FEM model Daný model byl nasíťován 3D tetraedry. Hlavní podmínkou bylo, aby na šířku byli dva elementy. Většina dílů měla šířku stěny 4 mm, proto byla na tyto díly použita velikost elementů 2 mm. Velikosti elementů ostatních objemových součástí byli určeny funkcí automatické velikost elementů. FEM model byl složen z elementů. V modelu se vyskytlo 1139 upozornění (warnings) což je okolo 1,7 % elementů z celkového počtu elementů. Obr.14. Odebrání stupňů volnosti a volba zatížení Byli odebrány stupně volnosti na plochách vytvořených symetrizací modelu v ose x (žluté plochy) a odebrání radiálního posunu (osy Y,Z) na vnitřní ploše předního uložení kyvné vidlice (zelená plocha). Obr. 15. Pro zatížení byla užita funkce mechanismu a zatížil se jak čep zadního kola tak čep pružící-tlumící jednotky. Čep zadního kola byl zatížen o síle 6656 N a čep tlumiče o síle N. Jedná se o poloviční síly. Obr. 16. Obrázek 15: Plochy uchycení a zatížení Obrázek 16: Zatížení

6 Výsledky MKP Bylo navrhnuto několik výpočetních variant, které se lišili stupněm přesnosti okrajových podmínek. Výsledky výpočetních variant byli porovnatelné a proto zde jsou uvedeny pouze finální varianty výpočtu. Deformace Byla vyhodnocena maximální deformace konzoly o hodnotě 1.5 mm. Ve finální variantě bylo uložení zadního kola bylo zanedbáno, proto deformaci čepu zadního kola zanedbábáme. Pro potvrzení výsledků bylo v jedné z prvních variant uložení bráno v potaz. Hodnoty deformací jsou téměr shodné. Obr Obrázek 18: Finální varianta deformace Obrázek 17: Varianta bez zanedbání uložení Napětí Bylo vyhodnoceno maximální napětí o hodnotě 149 MPa a součinitel bezpečnosti k d činí 2,1. Pro snížení koncentrace napětí v kritických místech byla přidána žebra ZÁVĚR A DOPORUČENÍ Tato práce se především zabývala konstrukcí kyvné vidlice a mimo jiné řešila volbu pružící-tlumící jednotky. Konstrukce kyvné vidlice byla analyzována s metodou MKP při opravdu extrémním zatížení, proto výsledné napětí 149 MPa a výsledná bezpečnost 2,1 je opravdu dobrý výsledek. Deformace okolo 1,2 mm jsou opravdu zanedbatelné. S vedlejším úkolem výběru pružící-tlumící jednotky bylo zjištěno jaký úhel natočení a fyzikální hodnoty by měla mít ideální pružící-tlumící jednotka. Výsledkem práce je zadní podvozek připraven k montáži na motocykl pro následné testování, z něhož vyplyne případná změna nastavení zadního podvozku dle požadavků jezdce, což může být individuální. LITERATURA: [1] COSSALTER, Vittore. Motorcycle dynamics. 2nd English ed. [S.l.: Lulu], ISBN [2] FOALE, Tony. Motorcycle handling and chassis design: the art and science. Sec. ed. Spain: Tony Foale, ISBN [3] HLAVÁČ, Zdeněk a Jan VIMMR. Sbírka příkladů ze statiky a kinematiky: the art and science. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni, ISBN [4] HOSNEDL, S., KRÁTKÝ, J. Příručka strojního inženýra 1. Brno: Computer Press, 1999 [5] VLK, František. Teorie a konstrukce motocyklů: the art and science. Brno: František Vlk, ISBN