0
1
Poděkování Rád bych na tomto místě poděkoval panu prof. ak. arch. Janu Fišerovi a M.A. Henrietě Nezpěvákové za cenné rady a vstřícnost při konzultacích. Dále bych chtěl poděkovat své rodině a slečně Monice Kučerové za podporu v průběhu celého svého studia. 2
Obsah: Úvod 4 Základní koncept jízdního stylu enduro 5 Stručná pravidla enduro závodů 6 Základní charakteristika enduro kola 7 Geometrie 8 Velikost kol 10 Přehled základních systémů zadního odpružení zadního kola 13 Další charakteristiky odpružení 16 Materiál 17 Příklady obdobných řešení 18 Výstup analýzy 21 Jednotlivé fáze výsledného návrhu 22 Geometrie a systém odpružení 23 Kinematika odpružení zadního kola 25 Implementace standardizovaných rozměrů a zástavbových objemů 29 Materiál 31 Vizualizace 32 Výkresová dokumentace 37 Plakát 40 Závěr 42 Zdroje 43 3
Úvod Pro svou diplomovou práci jsem si vybral návrh celoodpruženého cyklistického rámu s určením pro závodní enduro. Vzhledem k tomu, že je toto odvětví relativně mladé, si myslím, že vývoj závodních enduro rámů pro tuto disciplínu je stále ještě na počátku. Cílem této práce je proto prozkoumat jednotlivé možnosti návrhů rámů a vytvořit kolo schopné obstát v konkurenci velkých světových výrobců. Před vytvořením samotného návrhu zhodnotím jednotlivá technická řešení v současné době dostupných rámů a komponentů a zvolím nejvhodnější systémy a standardy. V další fázi je mým cílem navrhnout správnou geometrii, která velkou měrou ovlivňuje chování kola. Dále je třeba vybrat systém odpružení a za pomoci počítačových simulací kinematiky zadní stavby vytvořit co nejefektivnější celek. Na závěr vytvořím návrh tvarového řešení s ohledem na výsledky z předchozích fází práce a v souladu s vlastnostmi materiálů a jejich technologiemi zpracování. Projitím všech těchto fází bych měl být schopen prozkoumat veškeré možnosti pro zlepšení již existujících modelů kol a pokusit se zhodnotit jednotlivé směry a trendy. Ve svém návrhu bych se chtěl držet z co možná největší části zavedených standardů a systémů. Tím se však zároveň dostávám k hlavnímu nebezpečí, které spočívá v nemožnosti provedení razantních změn v celkovém konceptu rámu ve srovnání s aktuální nabídkou celoodpružených horských kol. I tento výsledek by však měl svou vypovídající hodnotu dokazující kvalitu v současné době dostupných rámů. Obrázek 1 Jerome Clementz Enduro World Series Jerome Clementz EWS [online]. WRAGG, Matt. 2013 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.pinkbike.com/news/enduro-world-series-round-one-punta-ala-jerome-clementzs- Race.html 4
Základní koncept jízdního stylu enduro Závodní enduro je jedna z nejdynamičtěji se rozvíjejících cyklistických disciplín. V roce 2013 odstartoval první ročník světové enduro série - Enduro World Series (www.enduroworldseries.com) a české Specialized Enduro série (www.enduroserie.cz). Hned od prvního ročníku byl o jednotlivé závody velký jezdecký i mediální zájem, a to dalo pevné základy novému trendu v cyklistice. Slovo enduro je převzato z motocyklových závodů, kde popisuje náročné dlouhé závody testující veškeré schopnosti jezdců i jejich vybavení. Ve spojení s horskými koly bylo pravděpodobně poprvé použito v roce 2003, kdy Fred Glo uspořádal závod TRibe 10,000 ve Val D Allos, který byl označen jako první MTB enduro závod. Základní myšlenka endura spočívá v otestování technických schopností a fyzické kondice jezdce a jejich ideálního vyvážení. Kombinuje proto všechny MTB disciplíny (DH, XC, maraton atd.) a testuje jednotlivé dovednosti (vytrvalost, techniku, strategii, rozvahu atd.). Pouze závodník vybavený všemi těmito schopnostmi má možnost uspět. 5
Stručná pravidla enduro závodů 1 Enduro závod se skládá z několika rychlostních zkoušek (tzv. RZ [erzet]) a transferů. RZ jsou převážně sjezdové s úsekem stoupání, který zpravidla není delší než 15 % z celkové délky RZ. Pořadí závodníka v závodě se získá součtem časů na rychlostních zkouškách. Pořadí závodníka odpovídá zisku určitého počtu bodů dle bodovací tabulky. Transfery slouží pouze k přesunu závodníků z cíle jedné na start následující RZ. Je však zpravidla stanoven časový limit na celý závod, kdy je čas nad tento limit přičten k součtu časů z jednotlivých RZ (v některých závodech se překročení limitu rovná diskvalifikaci). Druhou možností je, že jsou předem stanoveny časy startů v jednotlivých rychlostních zkouškách pro každého závodníka a jejich časomíra se spustí bez ohledu na to, zda jsou na startu přítomni. Závodník smí používat pouze jedno kolo a vše potřebné si musí vézt sám a opravy zajišťovat svépomocí (v průběhu závodu je zpravidla na několika místech zajištěna neutrální podpora, případně občerstvení). Přestože starty mohou být pokaždé na stejném místě, závodník musí do celého závodu vyrazit s celou výbavou. Cizí pomoc není dovolena. Obrázek 3: Logo Enduro World Series Obrázek 2: Logo české Specialized Enduro série Logo enduroserie.cz [online]. 2015 [cit. 2015-05-28]. Dostupné z: http://enduroserie.cz Logo Enduro Worlds Series [online]. 2013 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.enduroworldseries.com 1 O seriálu Enduro. Enduroserie.cz [online]. [cit. 2015-05-23]. Dostupné z: http://enduroserie.cz/staticka.php?id=49; 2015 Rule Book. Enduroworldseries.com [online]. [cit. 2015-05-23]. Dostupné z: http://www.enduroworldseries.com/rules/ 6
Základní charakteristika enduro kola Vzhledem k tomu, že je během enduro závodů zakázáno měnit kola, je potřeba co nejuniverzálnější kolo se zaměřením na sjezdy - nebude to nejrychlejší kolo na XC, ani ryzí kolo na sjezd, ale kolo, které zvládne vše. Formát závodního endura by se dal zkráceně popsat jako neměřené výjezdy či přejezdy a měřené sjezdy. Měřené úseky však nemusí být stoprocentní sjezdy mohou se na nich vyskytovat rovné přejezdy nebo i kratší výjezdy, popř. přírodní či uměle postavené překážky. Typické kolo je celoodpružené se zdvihem mezi 140 a 160 mm. Ačkoli velikost kol dosti ovlivňuje schopnosti a chování kola, zatím se používají všechny 3 rozměry kol (26 palců, 27,5 palce (650B) a 29 palců), nicméně začínají převládat kola s prostředním rozměrem, tedy 27,5. Standardně se používají pláště o šířkách 2,25 2,4 palce, čemuž musí být rám (zadní stavba) přizpůsoben. Neodmyslitelnou součástí kola je správná geometrie s nižším úhlem hlavové trubky (65 67 ), nízko uloženým středem a krátkou zadní stavbou. Pro lepší ovladatelnost a jistotu vedení stopy v těžším terénu se pak používá krátký představec a široká řídítka. U převodů je zpravidla používán jedno-převodník s vodítkem řetězu či napínákem a 10 nebo 11 rychlostní kazeta. V neposlední řadě je pak téměř neodmyslitelnou součástí závodního enduro kola teleskopická sedlovka, umožňující změnu posedu za jízdy. Obrázek 4 Devinci Spartan 2015 2015 Devinci Spartan [online]. 2014 [cit. 2015-05-25]. Dostupné z: http://dirtmountainbike.com/bikereviews/2015-devinci-spartan.html#valdkyu3uipujacz.97 7
Geometrie Správný návrh geometrie je klíčovou součástí návrhu každého kola. Ačkoli se některé rozměry mění s rozdílnou velikostí rámů, základní charakteristiky zůstávají napříč velikostmi stejné či obdobné. Mezi nejdůležitější parametry pak patří: úhel hlavové trubky nejvýrazněji ovlivňující ovladatelnost kola, výška středového složení, úhel sedlové trubky, délka horní rámové trubky (velikost M 17 ) a rozvor kol. Všechny tyto parametry mají dohromady zásadní vliv na celkové jízdní vlastnosti kola. Některé rámy zároveň umožňují změnu geometrie. Toto je zpravidla prováděno pomocí výměnných či otočných vložek zadní stavby či patek. V ojedinělých případech se pak setkáváme se systémy, které umožňují měnit geometrii za jízdy. Ty však standardně vyžadují speciální tlumič. Tím se ovšem výrazně zvyšují výrobní náklady a u malosériové výroby je tento postup z ekonomického hlediska nepoužitelný. Diagram geometrie rámu Obrázek 5 Diagram geometrie A Délka sedlové trubky B Úhel sedlové trubky C Délka hlavové trubky D Úhel hlavové trubky E Efektivní délka horní rámové trubky F Výška středového složení G Výška středového složení vůči osám kol H Délka zadní stavby I Předsazení vidlice J Trail K Rozvor kol L Výška horní rámové trubky M Reach, horizontální vzdálenost středu a hlavové trubky N výška hlavové trubky FIT & SIZING. Diagram geometrie [online], 2015. 8
Porovnání základních geometrií Výrobce a model (velikost M) D - úhel hlavové trubky F - výška středu B - úhel sedlové trubky E - délka horní rámové trubky K - rozvor kol Trek Slash 2015 2 65,5 358 mm 67,1 585 mm 1177 mm Specialized Enduro 29 2015 3 67,5 351 mm 69 594 mm 1159 mm Scott Genius LT 2015 4 66,3 346 mm 74 600 mm 1176 mm Giant Regin 2015 5 65 340 mm 73 620 mm 1217 mm Author Patriot EVO 2015 6 66 350 mm 74 610 mm 1180 mm Ibis Mojo HD3 2015 7 66,6 344 mm 72,6 600 mm 1146 mm Banshee Rune 2015 8 65,5 357 mm 74 584 mm 1166 mm 2 Trek Slash: Fit & Sizing [online]. 2015 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.trekbikes.com/us/en/bikes/mountain/enduro/slash/slash_8/ 3 Specialized Enduro 29": Geometrie [online]. 2015 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.specialized.com/cz/cs/bikes/mountain/enduro/sworks-enduro-29#geometry 4 SCOTT GENIUS LT: Geometrie [online]. 2015 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: https://www.scott-sports.com/cz/cs/products/238260007/bike-genius-lt-700-tuned-m/ 5 Giant Reign 2015: Geometrie [online]. 2015 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.giant-bicycles.com/cs-cz/bikes/model/reign.27.5.1/19491/77954/#geometry 6 Author Patriot Evo: Geomterie [online]. 2015 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://cz.author.eu/horska/celoodpruzena-mtb-27-5/author-patriot-evo-team-2015-ua42839401#!geometrie-modelu 7 Ibis Mojo HD3: Geometrie [online]. 2015 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.ibiscycles.com/bikes/mojo_hd3/ 8 Banshee Rune 27,5: Geometrie [online]. 2015 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.bansheebikes.com/bikes_page/banshee-rune-mountain-bike/ 9
Velikost kol V dnešní době se u endurových kol můžeme stále setkat se všemi třemi rozměry kol - 26, 27,5 (650b) a 29. Ačkoli neexistuje jednoznačný koncensus, který z těchto rozměrů je nejvýhodnější, je v posledních letech jasně patrný trend ústupu 26 kol. U nových závodních enduro kol se dnes můžeme nejčastěji setkat s rozměrem 27,5. Tento rozměr zpravidla nejvíce vyhovuje jezdcům díky lepší ovladatelnosti než 29 a zároveň nižší hmotnosti lepší akceleraci. 29 kola však i v enduro kategorii stále udržují svůj segment, neboť díky nižšímu nájezdovému úhlu dokáží snadněji překonávat překážky. Na jednotlivé rozměry pak můžeme nahlížet z několika hledisek. Ty, které nejvíce ovlivňují jízdní vlastnosti, jsou: hmotnost kol, nájezdový úhel na překážky, akcelerace a trakce. Hmotnost kol 9 Statická hmotnost kola (plášť, ráfek, duše) logicky narůstá se zvětšujícím se rozměrem. U 27.5 je tento nárůst v hmotnosti přibližně 5% oproti identickému 26 kolu. 29 je oproti 26 těžší dokonce o 12 %. To se u závodních kol rovná hmotnosti přibližně 75 g u 27,5 kol a 180 g u 29 (viz obrázek 3). Zdánlivě malý rozdíl v průměru kola se tak projeví citelným rozdílem ve statické hmotnosti. Tato hmotnost je pak ještě násobena rotačním pohybem kola. Vyšší hmotnost tak poznáme na horším výkonu kola, a to zejména při stoupání a zrychlování. Obrázek 6 Srovnání nárůstu statické hmotnosti kol Rozměry kol: Statická hmotnost [online]. 2014 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.giant-bicycles.com/_upload_cz/01%20tech%2027-5_hmotnost.jpg 9 Technologie 27.5. Http://www.giant-bicycles.com/ [online]. 2014 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.giant-bicycles.com/cs-cz/technology/technologie.27.5/94/ 10
Nájezdový úhel na překážku 10 Větší průměr kola snižuje úhel náběhu na překážku, což při jízdě v terénu zajišťuje plynulejší jízdu. V případě, že si definujeme například 6 cm vysokou hranatou překážku, vyjde nám, že 29 kolo se přes překážku převalí o 14 % efektivněji než 26 kolo. V případě kola 27,5 je to 9,8 % oproti 26. Další metodou, jak analyzovat rozdíly v chování různých rozměrů kol, je definovat úhel náběhu měřený ve stupních (viz obrázek 4). Čím je úhel mírnější, tím snadnější je překonání překážky. V tomto ohledu vyhrávají 29 kola. Obrázek 7 Srovnání nájezdových úhlů Rozměry kol: Nájezdové úhly [online]. 2014 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.giantbicycles.com/_upload_cz/02%20tech%2027-5_uhly.jpg Akcelerace 11 Jedním z nejdůležitějších aspektů 27,5 kol je lepší akcelerace oproti jejich 29 rivalům. Vliv na to má nejen zmíněná celková statická hmotnost, ale i to, jak je hmotnost kol rozložena. Při konkrétních výpočtech nám pak vychází ztráta v akceleraci 1,5 % pro 27,5 a 3,6 % pro 29 při srovnání s identickým 26 kolem. Obrázek 8 Srovnání akcelerace Rozměry kol: Akcelerace [online]. 2014 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.giantbicycles.com/_upload_cz/03%20tech%2027-5_akcelerace.jpg 10 Technologie 27.5. Http://www.giant-bicycles.com/ [online]. 2014 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.giant-bicycles.com/cs-cz/technology/technologie.27.5/94/ 11 Technologie 27.5. Http://www.giant-bicycles.com/ [online]. 2014 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.giant-bicycles.com/cs-cz/technology/technologie.27.5/94/ 11
Trakce 12 Čím větší je průměr kola, tím větší je také styčná plocha mezi pláštěm a povrchem. To se projevuje lepší trakcí. Ta má vliv zejména na akceleraci, brzdění i zatáčení. Při srovnání styčné plochy u identických 26, 27,5 29 kol, zjistíme, že styčná plocha 29 a 27,5 kol je téměř identická. Obrázek 9 Srovnání velikosti styčné plochy Rozměry kol: Styčná plocha [online]. 2014 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.giantbicycles.com/_upload_cz/04%20tech%2027-5_plocha.jpg Kromě základních technických vlastností pak musíme brát v potaz i další, méně zřetelné charakteristiky. S rostoucím průměrem kol je zároveň třeba prodlužovat zadní stavbu, případně vidlici. To může, zejména u menších jezdců, představovat problém s vhodnou geometrií. Další nežádoucí následek je nižší tuhost rámu i ráfků, což představuje obzvláště v těžkém terénu enduro závodů problém, neboť nižší tuhost může mít za následek horší ovladatelnost kola. 12 Technologie 27.5. Http://www.giant-bicycles.com/ [online]. 2014 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.giant-bicycles.com/cs-cz/technology/technologie.27.5/94/ 12
Přehled základních systémů zadního odpružení zadního kola 13 Spolu s geometrií a rozměrem kol má na jízdní vlastnosti i celkový vzhled největší vliv systém odpružení zadního kola. Dnes se ve světě cyklistiky používá mnoho systémů, z nichž u každého je nutné zvážit jeho klady a zápory. Zároveň jsou některé systémy chráněny vlastnickými právy a patenty, což by v některých případech výrazně prodražilo, ne-li znemožnilo malosériovou výrobu. Jednočep Přepákovaný jednočep Zadní stavba se otáčí kolem jednoho bodu. Trajektorie zadního kola tak opisuje kruhovou výseč. Tento systém se objevuje na nových kolech jen zřídka. Stejně jako u klasického jednočepu se osa zadního kola otáčí okolo jednoho bodu. Zadní stavba je však k tlumiči vedena přes vahadlo. Tím můžeme zlepšit odezvu při šlapání, nicméně na úkor jednoduchosti a hmotnosti systému. Klady na rozdíl od jednočepu umožňuje lepší regulaci Klady jednoduchý, efektivní a lehký systém odpružení, minimální požadavky na servis přepákování síly na tlumič Zápory horší odezva zadního kola při šlapání, chod Zápory systému je závislý na brždění Firmy Orange, Santa Cruz, Cannondale Firmy Kona, Scott chod systému je závislý na brzdění, pohupování při šlapání 13 Physics of rear bicycle suspension design [online]. STANFILL, Michael. 2010 [cit. 2015-05-25]. Dostupné z: http://ffden-2.phys.uaf.edu/211_fall2010.web.dir/michael_stanfill/designs.html 13
Čtyřčep, horst-link Dvouvahadlový čtyřčep Střed zadního kola se otáčí okolo virtuálního bodu (VPP). Řetězové vzpěry jsou rozděleny čepem poblíž osy zadního kola. Nejznámější využití tohoto systému je přepákování firmy Specialized s označením FSR. Jedná se o typ čtyřčepového zavěšení zadní stavby, která je napojena krátkými vahadly k přednímu rámovému trojúhelníku. Nejznámější provedení tohoto systému je DW-link navržený Davem Weaglem a systém Maesto používaný firmou Giant. V současné době se jedná o jeden z nejpokrokovějších systémů. Klady relativně lehký systém, nízký propad při šlapání Klady dokáže nabídnout vyvážený chod, velikostí a poměrem vahadel lze výrazně měnit vlastnosti Zápory méně citlivý, závislý na brzdění Zápory vyšší hmotnost, vyšší nároky na údržbu Firmy Specialized, Norco Firmy Santa Cruz, Ibis, Giant 14
Split Pivot Active Braking Pivot (ABP) V teorii se jedná o čtyřčepový systém, jehož nejzadnější čep je v ose zadního kola. Jedná se o systém využívaný firmou Trek, který kombinuje standardní Split pivot čtyřčepový systém s úplně nezávislým zavěšením tlumiče na spodní kyvce a horním vahadle, tzv. Full Floater. Tento systém má jedny z nejlepších jízdních vlastností. Klady malý propad zadní stavby při šlapání a brzdění Klady malý propad zadní stavby při šlapání a brzdění, vysoce citlivé odpružení Zápory vyšší hmotnost, spory o patentová práva Zápory vyšší hmotnost, chráněn patenty firmy Trek Firmy Pivot, Morewood Firmy Trek Při navrhování odpružení se můžeme zároveň setkat s pružnými elementy (nejčastěji v podobě karbonové planžety), které nahrazují některé čepy. Zároveň existuje i několik málo systémů, které využívají místo klasických čepů excentry, případně kluzné pojezdy. Ačkoli žádný z těchto systémů doposud nedospěl k masovému rozšíření, jedná se o zajímavé a často velice inovativní pojetí přepákování zadní stavby. 15
Další charakteristiky odpružení Mimo standardní typy odpružení definující počet a umístění jednotlivých prvků odpružení (čepy, vahadla, zadní stavba, tlumič) lze sledovat u každého systému a návrhu mnoho dalších charakteristik. Mezi nejdůležitější pak patří zdvih, trajektorie osy zadního kola, poměr přepákování, geometrická progresivita chodu, křivka nebo bod otáčení zadního kola. Ačkoli se některé z těchto charakteristik dají regulovat nastavením tlumiče, jejich základní vlastnosti jsou dány geometrií přepákování. Zdvih Udává maximální vertikální hodnotu posunutí osy zadního kola. Poměr přepákování Udává poměr mezi zdvihem a stlačením tlumiče. Tato hodnota se standardně pohybuje v rozmezí 1 : 2 1 : 3,2. Tyto hodnoty jsou zároveň brány v potaz u firem navrhujících tlumiče. Dodržením těchto hodnot tak docílíme nejlepší funkčnosti systému. Překročení těchto hodnot pak pro tlumič znamená větší zátěž, neboť musí operovat při vyšších tlacích, než na jaké je v základu konstruován. Tím se nejen urychluje jeho opotřebení, ale snižuje se tak i citlivost jeho chodu. Trajektorie osy zadního kola Udává křivku, kterou opíše osa zadního kola v průběhu svého chodu. U jednočepových systémů a systému Split pivot a ABP opisuje tato trajektorie část kružnice, u čtyřčepových systémů se osa zadního kola pohybuje podél křivky dané délkou a úhlem jednotlivých vahadel. Geometrická progresivita chodu Geometrická progresivita chodu udává změny v poměru přepákování v průběhu chodu tlumiče. Progresivní chod pak znamená zvyšování poměru přepákování v průběhu chodu. V případně konstantního poměru přepákování je označována jako lineární. 16
Materiál Ačkoli dnes stále převládají endurové rámy vyrobené z různých slitin hliníku, stále více firem i v tomto segmentu u svých nejvyšších modelů využívá k výrobě rámů karbonové kompozity. Ty díky výrazně lepšímu poměru hmotnosti vůči tuhosti dokáží nabídnout jezdci lehčí a zároveň pevnější kolo než konkurenční materiály. Zároveň lze snadno regulovat tloušťku a vlastnosti stěn trubek díky možnostem vrstvení orientovaných vláken a tkanin. Hlavní nevýhodou jsou vysoké náklady na zpracování a technologická náročnost, což se odráží ve výsledných cenách kol. U většiny výrobců začínají karbonové modely enduro kol v cenové relaci mezi 140 000 a 170 000 Kč. Další možností, jak zlepšit vlastnosti kompozitových rámů, je vhodné využití výplňových materiálů a výztuh zalaminovaných dovnitř kompozitu. S tímto řešením se můžeme setkat jak u velkých světových značek (např. Trek), tak i u malých domácích garážových firem jako Festka, či Godspeed racing. Obrázek 10 Výplň kompozitu (modrá) uvnitř rámu Trek Session 9.9 SSL Trek Session 9.9 Review [online]. 2011 [cit. 2015-05-25]. Dostupné z: http://www.pinkbike.com/news/trek-session-9.9-review-2011.html Vzhledem k navrhování samotného rámu je třeba zohlednit i mnoho dalších standardizovaných rozměrů cyklistických komponentů. Ty je nutné hned od počátku zahrnout do návrhu a počítat s jejich zástavbovým objemem. V našem případě se jedná zejména o rozměr hlavového složení, středového složení, zástavbový objem pro tlumič a jeho uchycení, standardizovaný rozměr pro sedlovou trubku a zadní patky. 17
Příklady obdobných řešení Giant Regin 27,5 2015 14 Author Patriot 2014 15 Velikost kol 27,5 Velikost kol 27,5 Zdvih P/Z 160 mm / 160 mm Zdvih 160 mm / 160 mm Typ odpružení Maestro dvouvahadlový čtyřčep Typ odpružení čtyřčep Materiál ALUXX SL Aluminium Materiál double butted dural 6061 27.5" Sada Sram X1 Sada Sram X01 Rock Shox Pike RCT3 / Rock Shox Monarch Rock Shox Pike RCT3 / Roxk Shox Monarch Odpružení P/Z Odpružení P/Z plus RC3 Plus RC3 Orientační cena 116 999 Kč Orientační cena 109 990 Kč Kolo využívá dvouvahadlový čtyřčepový systém odpružení. Oproti většině obdobných řešení je však v tomto případě spodní vahadlo Kolo používané vítězem české Enduro série z roku 2014 Jiřím delší. Tím je sice docíleno dobrých tlumicích vlastností, nicméně zde Fikejzem. dochází k většímu namáhání na krut. 14 Giant Regin 27,5" 2015: Specifikace [online]. 2015 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.giant-bicycles.com/cs-cz/bikes/model/reign.27.5.1/19491/77954/#specifications 15 Author Patriot EVO Team 2015 [online]. 2015 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://cz.author.eu/horska/celoodpruzena-mtb-27-5/author-patriot-evo-team-2015-ua42839401 18
Specialized S-Works Enduro 29 2015 16 Yeti SB6 27,5 2015 17 Velikost kol 29 Velikost kol 27,5 Zdvih 160 mm / 155 mm Zdvih 160 mm / 160 mm Typ odpružení FSR Typ odpružení Swich Infinity Materiál FACT IS-X 11m Carbon Materiál High Modulus Carbon Sada Sram XX1 Sada Sram XX1 Odpružení P/Z Rock Shox Pike RCT3 / Cane Creek DB air Inline Odpružení P/Z Fox Float 36 / Fox Float DPS Orientační cena 234 999 Kč Orientační cena 252 370 Kč Závodní enduro kolo využívané jezdci týmu Specialized Factory Racing. Jako jedno z mála využívá kola o průměru 29. Atypické přepákování zadní stavby využívá lineární pojezd. Ten umožňuje velmi efektivní systém odpružení, nicméně výrazně zvyšuje nároky na údržbu kola. 16 Specialized S-Works 29" 2015: Specifikace [online]. 2015 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.specialized.com/cz/cs/bikes/mountain/enduro/sworks-enduro-29#specs 17 Yeti SB6 Carbon [online]. 2015 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.yetibikes.cz/yeti-sb6-carbon.html 19
Norco Range Carbon LE 27,5 2014 18 Santa Cruz Bronson CC XX1 AM 2015 19 Velikost kol 27,5 Velikost kol 27,5 Zdvih 160 mm / 160 mm Zdvih 150 mm / 150 mm Typ odpružení FSR Typ odpružení Čtyřčep VPP Materiál Karbon Materiál Carbon CC Sada Sram XX1 Sada Sram XX1 Odpružení P/Z Rockshox Pike RCT / Cane Creek DB air Odpružení P/Z Rock Shox Pike RCT3 / Float CTD Adjust Orientační cena 144 400 Kč Orientační cena 234 990 Kč Masivní karbonový rám dosahuje vysoké tuhosti. Kolo využívá přepákování zadní stavby FSR (vlastněné firmou Specialized). Toto kolo se vyznačuje vysokou kvalitou zpracování a dobrou funkcí zadního tlumení navrženou ve spolupráci s Davem Weaglem. 18 Norco Range Killer 2014 [online]. 2015 [cit. 2015-05-28]. Dostupné z: http://www.norco.com/bikes/mountain/enduro/range-carbon/range-c-74/ 19 Santa Cruz Bronson CC [online]. 2015 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.santacruz.cz/produkt/santa-cruz-bronson/ 20
Výstup analýzy Po prozkoumání jednotlivých návrhů geometrie, systémů odpružení a základních specifikací je jasné, že v některých případech panuje mezi jednotlivými výrobci shoda. V jiných se naopak stále ještě neobjevil jasný trend a je využíváno více obdobných systémů. Mezi části, které jsou většinou u jednotlivých výrobců podobné, patří například geometrie, byť i malé změny v této části mohou mít výrazný dopad na chování kola. Segment, kde se naopak výrobci značně liší ve svých návrzích, je systém odpružení. V této sekci se stále ještě můžeme setkat s mnoha různými provedeními a zároveň se na trhu objevují i nové systémy a koncepce. Hlavní nevýhodou těchto nových systémů jsou nejčastěji vysoké nároky na údržbu, případně vyžadují atypické provedení tlumiče. V podlesní době můžeme pozorovat velký nástup kol o rozměru 27,5. Ačkoli je tento rozměr na trhu nejkratší dobu, segment závodního endura z velké části ovládl. Proto chci tento rozměr využít i u svého návrhu. Jako materiál zvolím karbonový kompozit, neboť společně s nejlepšími mechanickými vlastnostmi umožňuje dobrou tvarovatelnost. 21
22 JEDNOTLIVÉ FÁZE VÝSLEDNÉHO NÁVRHU
Geometrie a systém odpružení Základ každého kola tvoří jeho geometrie, která zároveň určuje zamýšlený způsob jeho použití. Pro svůj návrh jsem vytvořil agresivní závodní geometrii (viz Obrázek 13 Základní rozvržení geometrie rámu) doplněnou o vlastní systém čtyř-čepového přepákování s použitím dvou vahadel. Ten je propočítán a navržen pro co nejlepší tlumicí vlastnosti při zachování dobré efektivity šlapání. Čtyřčepový systém jsem vybral hlavně z důvodu dobré modulace jeho vlastností v návrhu. Zároveň na rozdíl od systémů, které využívají čep přepákování v ose zadního kola (split pivot, ABP), není tento chráněn patenty a je tudíž možné uvést rám snadněji do malosériové výroby bez dalších vysokých nákladů. Uložení a rozměry zadního tlumiče zároveň umožňují použití výrobků od širokého spektra výrobců, neboť je zde použit standardní rozměr tlumiče s délkou 200 mm a stlačením 57 mm. S tím dosahuje zdvih zadní stavby 160 mm. Při návrhu rámu jsem také zohlednil použití tlumičů s větší vzduchovou komorou a expanzní nádobou, které mnoho enduro jezdců preferuje. V poslední řadě je technicky možné použít i tlumič s vinutou pružinou pro použití na lehčích sjezdových tratích a v bikeparku. Přední odpružení je navrženo pro jedno-korunkové vidlice se zdvihem 150 170 mm. To by mělo být dostatečné pro jakoukoli závodní trať. Kónická hlavová trubka vidlice s hlavovým složením typu zerostack (ZS) a rozměrem 56 mm (55,95 mm) pak umožňuje i případnou dodatečnou úpravu tohoto úhlu pomocí excentrických misek (např. CaneCreek Angel set). Tím by mělo být zajištěno pokrytí všech typů jezdců a jejich jízdních stylů. Velikost rámu D - úhel F - výška B - úhel E - délka horní K - rozvor kol C Délka A Délka hlavové trubky středu sedlové trubky rámové trubky hlavové trubky sedlové trubky S 66 349 mm 71 567 mm 1152 mm 105 mm 410 mm M 66 349 mm 71 592 mm 1177 mm 110 mm 429 mm L 66 349 mm 71 620 mm 1187 mm 115 mm 461 mm XL 66 349 mm 71 645 mm 1192 mm 120 mm 511 mm Hodnoty v tabulce jsou vykresleny v Obrázku 5 Diagram geometrie 23
Obrázek 11 Základní návrh geometrie rámu (velikost L) 24
Kinematika odpružení zadního kola Při své práci jsem za účelem vytvoření simulace kinematiky zadní stavby rámu vycházel ze závěrů teoretické studie Kenneth M. Sasakiho 20 zabývající se tímto tématem společně s informacemi publikovanými Michaelem Stanfillem na University of Alaska Fairbanks 21. Pro výpočty jsem využil program Linkage X3 22. Ten mi pomohl získávat základní charakteristiky odpružení zadního kola v průběhu celého jeho zdvihu. Díky tomu jsem mohl přesně určit polohy jednotlivých čepů tak, aby zadní stavba splňovala předem určené požadavky na její chod a vlastnosti. Zároveň však bylo nutné při umisťování čepů dbát na jejich pozici vůči dalším prvkům a komponentům kola, aby zde byl dostatek prostoru na umístění čepů a vahadel, zejména s ohledem na dostatečnou šíři zadní stavby umožňující použití širších plášťů. Obrázek 12 Přepákování zadní stavby Červené křivky znázorňují pohyb osy zadního kola a jednotlivých čepů v průběhu zdvihu. Šedé linky vykreslují umístění virtuálního (neleží ve středu žádného čepu) bodu otáčení zadní stavby. 20 SASAKI, Kenneth, Peter EJVINSSON a Gergely KOVACS (překl.). Path Analysis: A Bicycle Rear Suspension Analysis Method. 2001. Dostupné také z: http://members.home.nl/vd.kraats/ligfiets/pa/index.htm 21 Physics of bicycle suspension [online]. STANFILL, Michael. University of Alaska Fairbanks, 2010 [cit. 2015-05-28]. Dostupné z: http://ffden-2.phys.uaf.edu/211_fall2010.web.dir/michael_stanfill/index.html 22 Linkage X3 [online]. 2002 [cit. 2015-05-28]. Dostupné z: http://www.bikechecker.com 25
Jednotlivé fáze zdvihu znázorňují kompresi zadní stavby 26
Charakteristiky odpružení zadního kola Modrá linka vykresluje křivku, která opisuje střed zadního kola. Zelená linka pak znázorňuje lineární osu předního odpružení. Modrá linka ukazuje sílu nutnou ke kompresi tlumiče. Ta se samozřejmě mění s nastavením tlumiče, nicméně její charakteristika zůstává stejná. Zde je jasně patrný lineárnější chod v prostřední části zdvihu. Červená křivka zobrazuje sílu nutnou ke stlačení tlumiče do určité polohy. 27
Modrá linka zobrazuje kompresi tlumiče v závislosti na vertikálním chodu zadní osy. Červená linie pak znázorňuje progresivitu tohoto chodu. Křivka udává poměr přepákování zadního kola o kolik milimetrů je stlačena pístnice tlumiče vůči zdvihu zadní stavby. Její průměrný koeficient získáme výškou zdvihu (160 mm) dělenou zdvihem tlumiče (57 mm) 2,81. 28
Implementace standardizovaných rozměrů a zástavbových objemů Málokterý výrobce si může dovolit ve větší míře nerespektovat zavedené standardy a vytvářet vlastní komponenty specifické pro svá kola. Tím totiž nejen navyšuje náklady o vývoj a výrobu těchto dílů, ale zároveň v případě poruchy zhoršuje snadnost opravy či výměny. Proto jsem do svého návrhu implementoval řadu standardizovaných systémů. Hlavové složení jsem zvolil semi-integrované s větším průměrem spodní misky (55,95 mm). Tím je umožněno využít díly široké škály výrobců včetně systémů umožňujících změnu úhlu přední vidlice. Tlumič má opět standardní rozměr, v mém případě 200 mm / 57 mm (dékla celého tlumiče / zdvih pístnice). Zároveň jsem při navrhování rámu počítal s možností použití tlumiče s externím rezervoárem, kterému je přizpůsobena spodní rámová trubka. Střed je použit Press Fit pro kliky s osou o průměru 30 mm. Tím lze dosáhnout vysoké tuhosti a malých ztrát energie při šlapání. Zároveň pro snadnou montáž vodítka řetězu je středová mufna vybavena úchytem ISCG 05. Jako zadní osu jsem vybral v současné době asi nejpoužívanější rozměr 142 mm / 12 mm (šířka zadního náboje / průměr osy). Pevný a kompaktní systém pak dotvářejí patky dle návrhu německé firmy Syntace 23. 23 Syntace X12 [online]. 2015 [cit. 2015-05-28]. Dostupné z: https://www.syntace.com/index.cfm?pid=1&pk=1314 29
Obrázek 13 Nákres využitých standardů 30
Materiál Přední rámový trojúhelník je navržený z jednosměrně orientovaných uhlíkových vláken. Spodní rámová trubka a do určité výšky sedlová trubka jsou vyplněny tvrdou krystalickou pěnou (například Rohacell). Tím je zajištěna nejen vynikající tuhost rámu, ale zároveň jsou tak výrazně zlepšeny deformační vlastnosti rámu a nehrozí tak jeho poškození. Vzhledem k tomu, že měřené úseky enduro závodů jsou převážně z kopce, je drobný nárůst hmotnosti (250 300 g) zanedbatelný a více než kompenzovaný zlepšením jízdních vlastností. Zadní stavba je také projektována z karbonového kompozitu. Spodní vahadlo by bylo vyráběno jako duralový či magnesiový odlitek následně opracovaný pomocí CNC přístroje pro dokonalou přesnost. Horní vahadlo by bylo vyráběno stejnou technologií, jeho tvarování nicméně počítá i s možností využití karbonu. Při potřebě snížení výrobních nákladů by bylo nejjednodušším krokem vyrábět zadní stavbu ze slitiny hliníku namísto uhlíku. To by mohlo umožnit i výrobu levnějších modelů. 31
32 VIZUALIZACE
33
34
35
Tvarování rámu respektuje závěry z předchozích kapitol. Hlavová a středová partie jsou propojeny masivní trubkou s účelem dosáhnout co nejvyšší tuhosti předního rámového trojúhelníku. Oblast uchycení tlumiče u středové mufny je pak ještě zesílena podélnými vzpěrami, které plynule navazují na spodní vahadlo. Tvarování zadní stavby vytváří dostatečný prostor pro plášť, kliky a převodníky. Zároveň zde při jízdě nesmí docházet ke kolizi s nohou jezdce. V neposlední řadě musíme dbát na správnou řetězovou linku. Všechny tyto faktory dohromady výrazně omezují finální tvar. 36
Výkresová dokumentace 37
38
39
Plakát list 1/2 40
Plakát list 2/2 41
Závěr Ačkoli jsem neměl za cíl vytvořit futuristický koncept, byl jsem i tak překvapen, jak málo jsem schopen při zachování současných standardů na celkovém vyznění kola změnit. Jakákoli výraznější úprava zaběhlých systémů by však znamenala obrovský nárůst výrobních a vývojových nákladů a pro malosériovou výrobu by byla z finančního hlediska neopodstatnitelná. I u největších cyklistických firem se s většími zásahy do zavedených systémů setkáváme velice zřídka a většina se drží standardů daných výrobci jednotlivých komponentů. Pro návrh jsem zároveň vytvořil vlastní kinematiku odpružení. Ta tvoří podstatnou součást celé mé práce. Díky simulacím odpružení zadního kola v softwaru Linkage X3 jsem mohl analyzovat jednotlivé úpravy přepákování zadní stavby a docílit tak vysoce efektivního systému. Můj koncept je dle mého názoru schopný se zařadit mezi návrhy kol velkých firem a to jak po technické stránce, tak po stránce vizuální. Co by naopak mohlo koncept ohrozit je nedostatečná unikátnost a tudíž by mohl na trhu zapadnout. Nicméně věřím, že i přesto by si našel své zákazníky. Jako aktivního jezdce a profesionálního cyklistického mechanika mne závodní enduro začalo hned od svého vzniku lákat a zajímat. V loňském roce jsem se zúčastnil kompletní české Enduro série. I proto pro mne byla tato diplomová práce velice atraktivní a zajímavá, neboť se v ní mohu zabývat závodními enduro koly nejen z pozice mechanika a jezdce, ale i z pozice designéra. 42
Zdroje O seriálu Enduro. Enduroserie.cz [online]. [cit. 2015-05-23]. Dostupné z: http://enduroserie.cz/staticka.php?id=49 2015 Rule Book. Enduroworldseries.com [online]. [cit. 2015-05-23]. Dostupné z: http://www.enduroworldseries.com/rules/ Jerome Clementz EWS [online]. WRAGG, Matt. 2013 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.pinkbike.com/news/enduro-world-series-round-one- Punta-Ala-Jerome-Clementzs-Race.html Logo Enduro Worlds Series [online]. 2013 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.enduroworldseries.com Logo enduroserie.cz [online]. 2015 [cit. 2015-05-28]. Dostupné z: http://enduroserie.cz 2015 Devinci Spartan [online]. 2014 [cit. 2015-05-25]. Dostupné z: http://dirtmountainbike.com/bike-reviews/2015-devincispartan.html#valdkyu3uipujacz.97 Trek Slash: Fit & Sizing [online]. 2015 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.trekbikes.com/us/en/bikes/mountain/enduro/slash/slash_8/ Specialized Enduro 29": Geometrie [online]. 2015 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.specialized.com/cz/cs/bikes/mountain/enduro/sworksenduro-29#geometry SCOTT GENIUS LT: Geometrie [online]. 2015 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: https://www.scott-sports.com/cz/cs/products/238260007/bike-genius-lt- 700-tuned-m/ Giant Reign 2015: Geometrie [online]. 2015 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.giant-bicycles.com/cscz/bikes/model/reign.27.5.1/19491/77954/#geometry Author Patriot Evo: Geomterie [online]. 2015 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://cz.author.eu/horska/celoodpruzena-mtb-27-5/author-patriot-evoteam-2015-ua42839401#!geometrie-modelu Ibis Mojo HD3: Geometrie [online]. 2015 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.ibiscycles.com/bikes/mojo_hd3/ Banshee Rune 27,5: Geometrie [online]. 2015 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.bansheebikes.com/bikes_page/banshee-rune-mountain-bike/ FIT & SIZING. Diagram geometrie [online]. [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.trekbikes.com/us/en/bikes/mountain/enduro/slash/slash_8/ Technologie 27.5. Http://www.giant-bicycles.com/ [online]. 2014 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.giant-bicycles.com/cscz/technology/technologie.27.5/94/ Rozměry kol: Statická hmotnost [online]. 2014 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.giant-bicycles.com/_upload_cz/01%20tech%2027-5_hmotnost.jpg Rozměry kol: Nájezdové úhly [online]. 2014 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.giant-bicycles.com/_upload_cz/02%20tech%2027-5_uhly.jpg Rozměry kol: Akcelerace [online]. 2014 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.giant-bicycles.com/_upload_cz/03%20tech%2027-5_akcelerace.jpg Rozměry kol: Styčná plocha [online]. 2014 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.giant-bicycles.com/_upload_cz/04%20tech%2027-5_plocha.jpg Trek Session 9.9 Review [online]. 2011 [cit. 2015-05-25]. Dostupné z: http://www.pinkbike.com/news/trek-session-9.9-review-2011.html 43
Physics of rear bicycle suspension design [online]. STANFILL, Michael. 2010 [cit. 2015-05-25]. Dostupné z: http://ffden- 2.phys.uaf.edu/211_fall2010.web.dir/Michael_Stanfill/Designs.html Giant Regin 27,5" 2015: Specifikace [online]. 2015 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.giant-bicycles.com/cscz/bikes/model/reign.27.5.1/19491/77954/#specifications Author Patriot EVO Team 2015 [online]. 2015 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://cz.author.eu/horska/celoodpruzena-mtb-27-5/author-patriot-evoteam-2015-ua42839401 Specialized S-Works 29" 2015: Specifikace [online]. 2015 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.specialized.com/cz/cs/bikes/mountain/enduro/sworks-enduro-29#specs Yeti SB6 Carbon [online]. 2015 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.yetibikes.cz/yeti-sb6-carbon.html Norco Range Killer 2014 [online]. 2015 [cit. 2015-05-28]. Dostupné z: http://www.norco.com/bikes/mountain/enduro/range-carbon/range-c-74/ Santa Cruz Bronson CC [online]. 2015 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.santacruz.cz/produkt/santa-cruz-bronson/ SASAKI, Kenneth, Peter EJVINSSON a Gergely KOVACS (překl.). Path Analysis: A Bicycle Rear Suspension Analysis Method. 2001. Dostupné také z: http://members.home.nl/vd.kraats/ligfiets/pa/index.htm Physics of bicycle suspension [online]. STANFILL, Michael. University of Alaska Fairbanks, 2010 [cit. 2015-05-28]. Dostupné z: http://ffden- 2.phys.uaf.edu/211_fall2010.web.dir/Michael_Stanfill/Index.html Linkage X3 [online]. 2002 [cit. 2015-05-28]. Dostupné z: http://www.bikechecker.com Syntace X12 [online]. 2015 [cit. 2015-05-28]. Dostupné z: https://www.syntace.com/index.cfm?pid=1&pk=1314 44