Alusta projektissa

Tällä ja seuraavalla kerralla tarkoituksena olisi kertoa, minkälaisiin alusta ratkaisuihin päädyimme projektia tehdessä. Käytettävinä alustan osina olivat Suzukista saamamme Teleskooppi etuhaarukka ja takajousi-iskunvaimenninelementti. Osat olisi kylläkin tarkoitus myöhemmin vaihtaa parempiin, kun budjetti sen sallii.

Etupää

Etupäätä suunnitellessa piti ensiksi miettiä, mikä olisi sopiva keulakulma. Yleisesti rata käyttöön suunnitelluissa moottoripyörissä keulakulma on välillä 23-25 astetta. Tällaisella kulmalla saavutetaan suhteellisen hyvä vakaus sekä kääntyvyys, jotka ovat tärkeimmät kriteerit keulakulmaa valitessa. Kulmaa suurentaessa vakaus paranee, mutta kääntyvyys heikkenee ja pienentäessä taas kääntyvyys paranee ja vakaus heikkenee. Päädyimme itse 24 asteen kulmaan, mikä oli mielestämme sopiva juuri vakautta ja kääntyvyyttä ajatellen. Vakauttahan pystyy tietenkin lisäksi parantamaan käyttämällä ohjausiskunvaimenninta.

Keulakulman lisäksi etupäässä alustaan vaikuttaa etujättö. Etujättö tarkoittaa renkaan kosketuspinnan ja ohjausakselin suuntaisen suoran välistä etäisyyttä tien pinnasta mitattuna. Etujättöä pystytään säätämään esimerkiksi ohjauskulmaa ja keulakulmaa muuttamalla. Täysin oikean suuruista etujättöä on hankala määritellä, yleisesti puhutaan, että sopiva etujättö olisi 5 – 10 cm välillä. Etujätön ollessa pieni, tulee moottoripyörästä ketterämpi. Etujättöä ei kuitenkaan kannata säätää liian pieneksi, koska silloin ajettavuus muuttuu epävakaaksi. Suuri etujättö taas tekee pyörästä vakaan, mutta kääntäminen on raskaampaa. Projektissa etujätöksi muodostui noin 103 mm. Emme perehtyneet etujättöön kovinkaan tarkasti, vaan päätimme säätää sen lähes samaksi kuin Suzukissa, koska käytimme Suzukin osia etupäässä ja keulakulmakin oli melkein sama. Paras vaihtoehto olisi se, että etujättöä pystyisi säätämään eri radoille sopivaksi säädettävällä etuhaarukalla.

Etupäässä jousittamaton massa koostuu telskooppi-iskunvaimentimista, jarruista, vanteesta ja renkaasta. Nämä massat olisi tärkeä saada niin pieniksi kuin mahdollista. Tähän vaikuttaa kuitenkin raha todella paljon ja siksi emme pysty tällä osa-alueella parasta mahdollista kokonaisuutta tällähetkellä saavuttamaan.

Ensi kerralla kerron takahaarukasta ja takaiskunvaimentimen sijoituksesta ja toiminnasta.

Rungon suunnittelu (osa 2)

Viimeksi kirjoitin etupäästä, siitä kuinka runko tukee etuiskunvaimentimia olemalla samalla kevyt. Nyt perehdytään istuinosaan ja rungon keskiosaan.

Pisteen 1 solmu on tuossa paikassa, koska moottorin täytyy mahtua tulla putken 1 (ylempi kuva) vasemmalta puolelta ja edestä tulevien putkien täytyy olla 90 asteen kulmassa etuiskunvaimentimiin nähden (edellinen viesti). Piste 2 määräytyy iskunvaimentimen mukaan joka on pisteiden 2 ja 3 välissä.

Keltaiset nuolet kuvastavat jarrutustilanteen aiheuttamia voimia. Punainen nuoli kuvastaa kuskin aiheuttamaa voimaa istuin osaan, tämä on suurimmillaan tilanteessa jossa ajetaan töysyyn kovaa vauhtia (vaalean sininen nuoli kuvaa takarenkaan kautta tulevaa voimaa tässä tilanteessa). Istuin osa ei voi lähteä pisteestä 2, koska tällöin istuinkorkeus ja painopiste nousisivat liian korkeaksi, joten siksi se lähtee hieman epäedullisesti solmun vierestä. Tämä ei kuitenkaan FEM-laskentojen pohjalta vaikuta lujuuteen ja sitä kautta painoon merkittävästi.

Moottori tukee runkoa mustien viivojen osoittamalla tavalla ja mahdollistaa pisteen 1 osoittaman ohuen kohdan rungossa (sivulta päin katsottuna).

Töyssy tilanteessa muodostuu takahaarukkaan ja iskunvaimentimeen sinisellä piirrettyjen noulten osoittamat voimat. FEM-laskennassa olemme käyttäneet iskunvaimentimen tilalla jäykkää teräspalkkia, joka luo varmuuskertoimen rungon lujuudelle. Todellisuudessa iskunvaimennin ”imee” suuren osan voimasta joustavaan jouseensa.

Kuten huomaatte kuvia tarkastelemalla on runko täynnä kolmioita, voimat siirtyvät eteenpäin ja näin kaikki 8 kiloa runkoa ottaa voimat hyvin tasaisesti vastaan. Tämä on todella tärkeä seikka kevyttä runkoa suunnitellessa.

Olemme pahoillamme pitkästä päivitysvälistä, nyt on niin paljon kiirettä koulussa (opinnäytetyö ja joulun alla olevat kokeet), että on jäänyt blogin päivitys vähemmälle.

Blogikirjoitus TAMKin blogiin

http://tamk-blogi.blogspot.com/2010/12/ratamoottoripyora-projekti-tamkissa.html

Suspension

Suspension and its adjustments have an big impact to motorcycles control and runnability. Suspension consists of springs and shock absorbers. Springs are there to damb the power result from bumps, accelerates and brakes, as well  from curve coming centrifugal forces. Shock absorber is there to slow down movement of the spring, when spring doesn’t get to compressed and come back in full force. That way the tyre stays stick to the track as good as possible. Actually springs and shock absorbers are there to do two things, get motorcycle moving forward as smoothly as possible and prevent tyres break away from track surface. Suspension adjustments can improve or weaken its functionality. 

Sprung and Unsprung Mass

Motorcycle mass could divide sprung and unsprung mass. By sprung mass I mean frame, fuel tank, engine etc. By unsprung mass I mean brakes and rims etc. When driving for example to bump, tyre rise upwards compressing springs, which again pursue to rise frame. Motorcycles own mass drag rising and rising movement strenght depends on springs stiffness and tyre, rim and other unsprunged parts mass. So the smaller unsprunged mass is commensurate to sprunged, the better motorcycle can resist tyre movements and stays better in track surface. Tyre loosening to track depends greatly which is ratio of sprunged and unsprunged mass. Example in MotoGp there are aspired to get unsprunged mass as low as possible, by making expensive carbon fiber  back forks and rims. In series-produced those are so far too expensive.

Progressivity

Progressive suspension means suspension, which chances all along stiffer when tyre boundingmovement increases. In that kind of suspension tyre remains in track surface remarkably strictly. Progressivity prevent spring bottoming in bounding, when driving for example to big bumbs. Telescopefork progressivity is commonly achieved by progressive spring. Spring spiral is thicker in the other end of spring. Rarer way is to put two linear springs, which spring stiffness is unequal between each other.

Rearspring progressivity can be achieved by many ways. One simple way is to install linear spring-shock absorber element in sloped angle to rearfork so that upper fastening point is more front than lower fastening point. If spring-shock absorber element is located on an right angle towards to rearfork, then is spring movement range directly comparable to reartyre movement range. In sloped spring-shock absorber element, spring compress in the beginning of the tyre movement only a little, but when tyre movement grow, spring and swingarm angle chances to greater and in the same time spring movement and stiffness increases.

Progressivity could be achieved also by progressive spring or by putting two spring stiffness unequal springs. These options aren’t very common in this day track made motorcycles. Half the time progressivity is achieved by variable ratio levermechanism also known as linkage. This kind of structure gets spring progressivity work just like designer wants. This is also cheaper to achieve, than for example by using progressive spring.

Suspension Parts For The Meantime

Before I told, that we bought a crashed year 2004 Suzuki GSX-R 750 cc motorcycle from damaged vehicle center. Shock absorbers were quite good guality in Suzuki, so we ended up to use those in our project. In front there was telescopic fork, which inner tubes were lower so it was so-called upside-down front fork. Upside-down fork benefit to combared to the right way fork is notably stiffer structure. In front fork there was also adjustments for shock absorption bump- and rebound movement absorption power and for springs pre-load. These adjustments are actually necessary if the goal is to get best possible suspension for track. Rear shock absorber spring stiffness and shock absorption could also be adjust.

Parts which we get from Suzuki aren’t under no circumstance best suited to our project. Example in WP or Öhlins shock absorbers is some more better adjustments and those are also lighter,which again degrease unsprung mass and improve drivability. Later idea is to chance shock absorbers, or actually as soon as budget allows it.

Next time my intention is to tell, which kind suspension solutions we ended up in our project.

Designing the Frame

Designing of the steel tubular space frame, where to start? What is the mission of frame in track motorcycle? Engine, wheel axles, swing arm to frame axle, seat, shock absorbers and fuel tank are in certain places. All these affect to the lap time. Frame combines these all together. It has to be stiff, so that chassis will work and light so that overall weight doesn't be any more than it has to be. Balancing once again in the world of different kind of terms.

Designing is understanding, you have to understand matter widely as possible while you keep our eye on the goal. By understanding and often over time with designing software you can get insight, which will take you closer to goal or in worse situation further away of it.

I will tell about designing of our track motorcycles frame, one part at the time. I will start from the attachment of the front shock absorbers till I come to the rear wheels axle attachment.

Front shock absorbers attachment:

1. Front wheel axle

2. Lower attachment bearing of front shock absorbers

3. Upper attachment bearing of front shock absorbers

Designing front shock absorbers attachment main boundary conditions are force generated by maximal braking situation and front rake angle defined by chassis design (a). Force generated by maximum braking situation comes from friction of tire and asphalt. Rubber type and condition of asphalt affect to this considerably. Force moves via wheel axle to shock absorbers, from those to attachment bearings and from there to frame. Force is descriped in picture by yellow arrow at front wheel axle point (F). Measument A descripes the distance from lower attachment bearing to front wheel axle. This distance creates moment to force F. Longer the distance is, more force is going to frame. This distance is affected by wheel size and shock absorbers maximum stroke. Forces generated by maximum braking is descriped at the points of bearings by green arrows. Distance B act as so-called counter moment, longer distance is, less have to frame support at point 1, but this lengthens shock absorbers and some tubes in frame. As good as possible middle course in this once again.

We decided distance between bearings to be 170 mm, this is possible by the parts that we got from Suzuki and this is justifiable by FEM calculations. So purpose of frame is to endure forces that are descriped by green arrows at bearing points. This is possible best if the tubes and shock absorbers are in 90 degrees angle (perpendicular) in other words direction of maximum forces at bearing points (see picture below). Tubes 4 and 3 are not excatly in this angle because it was better to take them directly to the engine attachment points. Because engine and air filter box has to have room frame circles them, this provide also needed torsion stiffnes to frame. Tubes 5, 6, 7, 8 and 14 are there to provide the proper triangulation. This is what I explained briefly at my last post (Frame Type and Material). Tubes 9 and 10 carry the loads forward. Ideal situation is, example in braking situation is that all the tubes in frame take forces, then frame can be very light. With excellent triangulation this is nearly possible.

In the next post I will tell more about, example why tubes 9, 10, 11 and 13 go to that node and why is the node where it is. These things are hard to clarify clearly so if you have something to comment please do so.

Rungon suunnittelu

Teräsputkirungon suunnitteleminen, mistä lähteä liikkeelle? Mikä on rungon tehtävä ratamoottoripyörässä? Moottori, renkaiden akselit, takahaarukan ja rungon yhdistävä akseli, istuin, iskunvaimentimet ja polttoainetankki ovat tietyissä paikoissa. Joidenkin ehdoilla, jotkut näistä rungon ehdoilla. Kaikki vaikuttavat kierrosaikaan. Runko yhdistää kaiken ja sen täytyy olla riittävän luja, että se tarjoaa hyvän pohjan alustalle ja ettei se hajoa ratamoottoripyörään kohdistuvien rasitusten alla. Ei liian luja, mutta perinpohjaisesti mietitty jotta paino ei nouse liikaa. Tasapainoilua taas erilaisten ehtojen maailmassa.

Suunnittelussa on kyse mahdollisimman laajasta ymmärtämisestä, yksi tai useampi tavoite mielessä. Ymmärryksen ja usein myös suunnittelutyökalun kanssa vietetyn ajan seurauksena voi seurata oivalluksia jotka vievät kohti tavoitetta tai pahimmassa tapauksessa kauemmaksi siitä.

Kerron moottoripyörämme putkirungon suunnittelusta, rungon kohta kerrallaan. Lähden liikkeelle etupäästä, etuiskunvaimentimien kiinnityksestä ja jatkan kohta kerrallaan kunnes tulen takapyörän akselin kiinnitykseen.

Etuiskunvaimentimien kiinnitys:

1. Eturenkaan akseli

2. Alemman T-palan laakeri

3. Ylemmän T-palan laakeri

Etupään suunnittelussa tärkeimmät reunaehdot ovat maksimijarrutuksen luoma maksimivoima ja alustan määräämä keulakulma (a). Jarrutuksen voima muodostuu renkaan ja tien välisestä kitkasta. Kumiseos ja tien pinta vaikuttaa kitkaan olennaisesti, oletuksella, että kuljettaja pystyy jarruttamaan lähellä maksimikitkaa. Voima siirtyy pyörästä akselin kautta iskunvaimentimien välityksellä runkoon. Voima on kuvattu kuvassa keltaisella nuolella (F) akselin kohdalla. Pituus A kuvaa matkaa eturenkaan akselilta alemman T-palan laakerille. Tämä matka luo voimalle F momentin, mitä pidempi matka on, sitä suuremman voiman rungon täytyy kumota pysyäkseen kasassa. A:n vaikuttaa joustomatka sekä pyörän halkaisija. Jarrutuksen aiheuttama voima näkyy iskunvaimentimien kiinnityspisteissä vihreinä nuolina. Matka B toimii ns. vastamomenttina, mitä pidempi se on sitä vähemmän rungon tarvitsee tukea pisteessä 1, mutta tämä taas pidentää etuiskunvaimentimia ja joitakin putkia rungossa, sopiva keskitie siis tässäkin.

Päätimme T-palojen laakereiden väliseksi matkaksi 170 mm, jonka Suzukista saamamme osat mahdollistavat ja FEM-laskennalla hyväksi totesimme. Rungon on siis tarkoitus kestää vihreän nuolten osoittamat  T-palojen laakereiden kohdalla olevat voimat. Tämä onnistuu parhaiten, putkien ollessa 90 asteen kulmassa etuiskunvaimentimiin nähden eli jarrutuksen laakereihin synnyttävien maksimivoimien suuntaisesti, alemman kuvan mukaisesti. Putket 4 ja 3 eivät ole aivan maksimivoimien suuntaisesti, koska ne olivat järkevä viedä moottorin kiinnityspisteisiin suoraan. Koska moottorin ja ilmanpuhdistimen täytyy mahtua olemaan myös, putket 1, 2, 3 ja 4 lähtevät kiertämään ne. Putket 5, 6, 7, 8 ja 14 ovat luomassa kolmiomaisuuden, josta edellisessä viestissäni "Rungon tyyppi ja materiaali" sivusin. Putket 9 ja 10 vievät voimia edelleen eteenpäin. Ihanne tilanne on, että esim. jarrutustilanteessa, mahdollisimman suuri osa rungosta ottaa voimia vastaan, näin päästään lujaan ja kevyeeseen lopputulokseen. Kolmiogeometria mahdollistaa tämän. Rungon leviäminen moottorin ympäri tuo mukanaan myös tarvittavaa vääntöjäykkyyttä.

Seuraavassa viestissä lisää, esim. siitä miksi putket 9, 10, 11 ja 13 menevät juuri tuohon solmukohtaan. Nämä asiat ovat vaikeita selkeästi kirjoittaa ja jos ihmeteltävää jää, kommentoikaa vapaasti.

Alusta

Alustalla ja sen säädöillä on todella suuri merkitys siihen, kuinka hyvin moottoripyörä on hallittavissa ja minkälaisen ajotuntuman moottoripyörästä saa. Alusta koostuu jousista ja iskunvaimentimista. Jousien tehtävänä on pehmentää / vaimentaa epätasaisuuksista, kiihdytyksistä, jarrutuksista ja kaarteessa aiheutuvista keskipakovoimista tulevia voimia. Iskunvaimentimen tehtävänä on hidastaa jousen liikettä, jolloin jousi ei pääse puristumaan ja palautumaan täydellä voimalla. Tällä tavalla saadaan rengas pysymään tiessä kiinni mahdollisimman hyvin. Jousituksella ja iskunvaimentimilla on siis oikeastaan kaksi tehtävää, saada moottoripyörä etenemään mahdollisimman tasaisesti epätasaisuuksista huolimatta ja estettävä renkaiden irtoaminen tien pinnasta. Alustaa säätämällä voidaan joko parantaa tai heikentää jousituksen toimivuutta. Tosin toiselle huonosti sopivat alustan säädöt voivat olla toiselle olla erittäinkin sopivat, koska eri ihmisten ajotyylit voivat erota paljonkin toisistaan.

Jousitettu ja jousittamaton massa

Moottoripyörän massa voidaan jakaa jousitettuun ja jousittamattomaan massaan. Jousitetulla massalla tarkoitan runkoa, polttoaine säiliötä, moottoria jne. Jousittamattomalla taas tarkoitan renkaita, vanteita ja jarruja jne. Kun ajetaan esimerkiksi töyssyyn, rengas nousee ylöspäin puristaen jousia kasaan, jotka taas pyrkivät nostamaant runkoa. Moottoripyörän oma massa vastustaa nousemista ja nousuliikkeen voimakkuus riippuukin jousten jäykkyydestä ja renkaan, vanteen ja muiden jousittamattomien osien massasta. Eli mitä pienempi jousittamaton massa on suhteessa jousitettuun, sitä paremmin moottoripyörä pystyy vastustamaan renkaan liikkeitä ja pysyy paremmin tiessä kiinni. Renkaan irtoaminen tiestä riippuu siis pitkälti siitä mikä on jousitetun ja jousittamattoman massan suhde. Esimerkiksi MotoGp:ssä on pyritty saamaan jousittamaton massa mahdollisimman alhaiseksi, valmistamalla kalliita hiilikuituisia takahaarukoita ja vanteita. Sarjavalmisteisiin ne ovat kuitenkin ainakin toistaiseksi liian kalliita.

Progressiivisuus

Progressiivisella jousituksella tarkoitetaan sellaista jousitusta, jossa renkaan sisäänjoustoliikkeen aikana jousitus muuttuu koko ajan jäykemmäksi renkaan liikkuman matkan kasvaessa. Tällaisella jousituksella renkaan saa pysymään tien pinnassa mahdollisimman tarkasti ja progressiivisuus estää jousen pohjaanlyönnin sisäänjoustossa, kun ajetaan esimerkiksi suuriin töyssyihin. Teleskooppihaarukassa progressivisuus on yleisesti toteutettu progressiivisella kierrejousella, eli jousen kierre on tiheämpi toisesta päästä. Harvinaisempi tapa on laittaa kaksi lineaarista jousta, joiden jousi jäykkyys on keskenään eri suuri.

Takajousen progressivisuudenkin voi toteuttaa monella tapaa. Voidaan esimerkiksi asentaa lineaarinen jousi-iskunvaimenninelementti kallistettuun kulmaan takahaarukkaan silllä tavalla, että yläpään kiinnityspiste on edempänä kuin takapään kiinnityspiste.Jos jousi-iskunvaimenninelementti  sijaitsee suorassa kulmassa takahaarukkaan nähden on jousen liikematka joustaessa suoraan verrannollinen tekarenkaan liikematkaan. Kallistetussa jousessa taas  renkaan joustolikkeen alussa jousi painuu vain vähän kasaan, mutta renkaan joustoliikkeen kasvaessa jousen ja takahaarukan kulma muuttuu suuremmaksi ja samalla jousen tekemä liike, sekä jäykkyys kasvavat.

Progressiivisuden voisi toteuttaa myös progressivisella jousella tai laittamalla kaksi jousijäykkyydeltään eri suurta jousta. Näitä vaihtoehtoja ei kuitenkaan nykyisissä radalle tarkoitetuissa moottoripyörissä juurikaan käytetä, vaan progressiivisuus toteutetaan eräänlaista muuttuva vipusuhteista mekanismia eli ”linkkua” käyttämällä. Tällaisella rakenteella saadaan jousen progressiivisuus toimimaan juuri suunnittelijoiden haluamalla tavalla. Tämä on myös halvempi toteuttaa, kuin esimerkiksi progressiivisen jousen käyttäminen.

Alustan osat tällä hetkellä

Aikasemmin kerroin, että ostimme Autovahinkokeskukselta vuoden 2004 Suzuki GSX-R 750 kuutioisen moottoripyörän. Suzukin iskunvaimentimet olivat melko laadukkaat, joten päädyimme käyttämään niitä projektissamme. Edessä oli teleskooppihaarukka, jossa sisemmät putket sijaitsivat alempana eli se oli ns. upside-down-etuhaarukka. Upside-down-haarukassa on se etu verratuna ”oikein päin” sijoitettuun haarukkaan, että se on huomattavasti jäykkärakenteisempi. Etuhaarukassa oli myös iskunvaimennuksen sisään- ja ulosjoustoliikkeen vaimennustehon säädöt ja jousten esijännitysten säädöt, mitkä ovat ovat oikeastaan pakolliset jos halutaan saada optimaalisesti radalla toimiva alusta. Takaiskunvaimennin oli myös säädettävissä iskunvaimennuksen ja jousen jäykkyyden osalta.

Suzukista saamamme osat eivät kuitenkaan ole missään nimessä parhaiten soveltuvat projektiimme. Esimerkiksi WP:n tai Öhlinssin iskunvaimentimissa on vielä parempi säädettävyys ja ne ovat myös kevyempiä, mikä taas pienentää jousittamatonta massaa ja sitä kautta parantaa ajettavuutta. Myöhemmin olisikin tarkoitus vaihtaa iskunvaimentimet, taikka oikeastaan heti kun budjetti sen vain sallii.

Seuraavalla kerralla tarkoituksenani olisi kertoa siitä, minkälaisiin alusta ratkaisuihin me olemme projektissa päätyneet.

Frame Type and Material

What kind of and from which kind of material?

Strength compared to weight and these compared to price are the most important criteria when choosing what kind of material the frame will be. Carbon fiber composite, aluminium, steel or something else? Where could we get it, how much it would cost and what kind of manufacturing process is related to it?

Carbon fiber composite, in other words epoxy mass with carbon fiber. Also often fibers are set so they are in same direction with the maximum forces that will affect to the object. Relatively very expensive material. Carbon fiber composite is very likely the best material for motorcycle frame today if we look the issue from the strength to weight ratio aspect. Then why is the carbon fiber so strong? Carbon is an element which has many states, one of this is in diamond. In diamond carbon is organized so that every carbon atom is very hard onto with its four adjacent carbon atoms. Carbon fiber is very strong if the operant force is in line with it. For example carbon fiber made skiing stick is light and strong if we are skiing but if we are fencing they will broke. At this moment they are using carbon fiber composite in Moto GP -motorcycles and Formula 1 -cars. Why didn't we choose carbon fiber composite then? Well we have a strict budget and we could't afford it. Also manufacturing process is little bit unfamiliar, this would spend our other resource, time. Compared to steel frame we didn't came to result that would favor carbon fiber composite, even if we would had been able to design and manufacture slightly lighter frame with it. It would had been so much more expensive in time and money that it would had not been the best way to go to our goal.

Aluminium casted is probably the most popular choice for motorcycle frame by manufacturers. This is in series produced motorcycles and in race motorcycles. In Moto GP they are moving to carbon fiber composite. Ducati is showing the way. But in series produced motorcycles aluminium casted frame will stay awhile. These things proves that you can build a very good and in mass production scale cheap frame using aluminium casted frame. The inexpensiveness in mass production scale is because of it's expensive to manufacture cast but when it's done, manufacturing one part is very cheap. By this reason this kind of frame is not suitable for our project. Welded aluminium tube frame is not better in strength to weight ratio than welded steel tube frame and it's more expensive and more difficult to manufacture. This because aluminium should be special kind of aluminium so that its welding qualities and strength to weight ratio would get better compared to steel.

Triangle geometry followed by high strength steel tubular frame was the choice where we ended up.  Rautaruukki had suitable steel for our frame. Form600 high strength steel tube has yield strength of 500 MPa and breaking point of 600 MPa, it has very good welding qualities and weight is no more than, maybe the most used, steel S355 has. About 8 kg per liter. With triangle geometry it's possible to design very light and strong frame. Along with these reasons, one reason was that Rautaruukki sponsored the tubes to us.
 
If you are building frame from steel, the best way to go is tubular type of frame. Different kind of solutions has been seen like in old GSX-R:s. In Moto GP there was steel tubular frames in Ducatis motorcycles before they went to carbon fiber frames at 2009. Below simple example of the firm idea of triangle geometry.
 

So the structure is closed from left upper corner and it's pulled by force showed by red arrow. This force cause forces that are showed by yellow arrows. Theses forces cause structure to deform and if the force is strong enough the structure will brake. If we place support showed by right picture, structure becomes considerably stronger compared to its weight. So the foundation of the idea is very simple.

Rungon tyyppi ja materiaali

Minkälainen ja mistä materiaalista?

Lujuuden suhde painoon ja tämän suhde hintaan ovat tärkeimmät reunaehdot rungon materiaalia mietittäessä. Hiilikuitukomposiitti, alumiini, teräs vai joku muu? Mistä sitä voisi saada, paljonko se maksaisi, mitä valmistusmenetelmiä materiaaliin liittyy?

Hiilikuitukomposiitti, eli epoksimassa lujitettuna hiilikuiduilla, usein vielä kuidut ovat kappaleeseen aiheutuvien maksimivoimien suuntaisesti asetettu. Materiaalina verrattain hyvin kallista. Hiilikuitukomposiitti on myös hyvin todennäköisesti paino / lujuus suhteessa paras vaihtoehto rungon materiaaliksi tänä päivänä. Mihin hiilikuitukomposiitin lujuus sitten perustuu? Alkuaineella hiili on monta eri olomuotoa, esimerkiksi maailman kovin aine timantti, jossa kaikki atomit ovat tiukasti kiinni neljässä viereisessä atomissa. Hiilikuitu on erittäin lujaa, mikäli kuorma vaikuttaa kuidun pituus suunnassa. Esimerkiksi hiilikuidusta tehty hiihtosauva on kevyt ja kestää hyvin hiihtämistä, mutta ei miekkailua. Tänä hetkenä niin Moto GP -moottoripyörien kuin Formula 1 -autojen runkojen valmistuksessa käytetään hiilikuitua. Miksi emme sitten valinneet hiilikuitua? Emme rajallisen budjetin vuoksi voineet. Valmistusmenetelmä on myös hieman vieras, mistä olisi seurannut toisen resurssin, ajan, käyttöä. Teräkseen verrattaen emme tulleet siihen lopputulokseen, että vaikka olisimme voineet saada jonkinverran, todennäköisesti vähän, kevyemmän rungon hiilikuitukomposiitista olisi siihen mennyt liikaa aikaa ja rahaa.

Kuvan lähde: www.2wheeltimes.com

Alumiinivalettu runko on luultavasti suosituin moottoripyörissä käytetty runko, niin sarjavalmisteisissa kaupallisissa moottoripyörissä, kuin Moto GP -kilpureissakin. Moto GP:ssä ollaan siirtymässä Ducatin johdolla hiilikuitukomposiitin pariin, mutta sarjavalmisteisissa pysytään luultavasti vielä kauan aluminiivalurungoissa. Edelliset asiat todistaa, että alumiinivalurungosta voi saada todella hyvän ja suurissa valmistus määrissä edullisen. Suurien määrien valmistuksen edullisuus perustuu siihen, että valumuotin tekeminen on kallista, mutta kun valmistus on saatu aloitettua on yksittäisen kappaleen valmistushinta edullinen. Tästä syystä alumiinivalettu runko ei tule kysymykseen tässä projektissa. Hitsattu alumiiniputkirunko ei ole lujuus / paino suhteessa teräsputkirunkoa parempi ja on myös kalliimpi ja vaikeampi valmistaa. Tämä, koska alumiinin täytyisi olla erikoisalumiinia, jotta sen hitsausominaisuudet sekä lujuus- / painosuhde paranisivat teräkseen verrattuna.

Kuvan lähde: www.mcnews.com.au

Kolmiogeometriaa noudattava suurlujuusteräsputkirunko oli vaihtoehto mihin päädyttiin. Rautaruukilta löytyi runkoon hyvin sopivaa Form600 ohutseinämäputkea. Teräksen myötölujuus on 500 MPa ja murtolujuus 600 MPa ja paino ei sen enempää kuin esimerkiksi ehkä maailman käytetyimmällä teräksellä S355 eli vähän alle 8 kg / litra. Form600 teräksen hitsausominaisuudet ovat myös todella hyvät. Kolmiogeometriaa käyttämällä rungosta on mahdollista saada erittäin kevyt lujuuteensa nähden. Näiden syiden ohella päätökseen vaikutti myös se, että Rautaruukki Oyj lähti sponsoroimaan projektiamme materiaalin muodossa.

Teräksestä valmistettaessa järkevin vaihtoehto on juurikin putkirunko, toisenlaisiakin ratkaisuja on nähty, kuten vanhemmissa sarjavalmisteisissa käytetyt palkkirungot. Moto GP -sarjassakin oli Ducatilla ennen hiilikuitukomposiittirunkoon siirtymistä vielä vuonna 2008 teräsputkirunko. Alla yksinkertainen esimerkki kolmiogeometrian lujasta ideasta:

Eli rakenne on kiinni avaruudessa vasemmasta ylänurkasta ja sitä vedetään punaisen nuolen osoittamalla voimalla, tämä voima aiheuttaa muunmuassa keltaisten nuolten osoittamat voimat. Nämä keltaisten nuolten osoittamat voimat aiheuttavat vasemmassa kuvassa rakenteen muuttumisen salmiakiksi ja lopulta hajoamisen, mutta kun laitetaan tuki oikean kuvan osoittamalla tavalla, saadaan rakenteesta huomattavasti lujempi painoonsa nähden. Perusidea on siis hyvin yksinkertainen.

Selection of Suitable Parts

When you start to design and create track motorcycle, you have to first think, which parts you intend to design and manufacture yourself and which you intend to acquire from elsewhere. Before you can start actual design you have to decide for example what kind of engine is best to help you to reach your goals. Also best suitable shock absorbers are good to think as soon as possible.

Engine

First little bit about which kind of engines is used in track motorcycles and little bit about their pros and gons. So engines which are mainly used in track motorcycles are inline-4-, V2 and V4 in 4-strokes. In 2-strokes there are V2-, inline-2- and one cylinder -engines.

2-stroke engine

2-stroke engines are lighter compared to same size 4-stroke engine, that because 2-stroke function is simpler than 4-stroke. 2-stroke engines are also more powerful than same size 4-stroke engines, because in 2-strokes every cycle of crankshaft is power stroke and in 4-strokes only every second. I think that weak points in 2-stroke engines are availability, durability and price. Example in track use piston / pistons have to chance after about 10 hours of driving. Also over 100 hp series-produced 2-stroke engines aren't exactly produced, so if you want to get such kind of engine it would come very expensive.

4-stroke engine

The most common 4-stroke engine is inline-4 it's top rated and most produced. This is probably result of cheaper manufacturing than V2 engine. Inline-engine is easy to manufacture with higher rpm range than V- engine and under these circumstances inline-engine produce more power than V2. Example in new Suzuki GSX-R 1000 is 185 hp on 12000 rpm and in new Ducati 1198 is 170 hp on 9750 rpm. There has manufactured also V-engines which are with high rpm range, example new Aprilia RSV4-R, which is V4-engine and have power about 180 hp on 12500 rpm. So in V-engine there could be almost equally same power than in inline-engine, but powerful V-engine is little bit more expensive, than same power inline-engine.

Now I have told little bit about engine alternatives and next I will tell you what kind of engine we decided to choose to our project.

Most important criterions for choosing engine were:

- Price
 o Engine acquire and maintain expenses as low as possible
- Power / weight
 o Motorcycle power / weight ratio as good as possible
- Parts
 o Engine control parts as new as possible

First was good to think which one 2-stroke or 4-stroke is better to reach our goals on criterions. We think that 4-stroke was better for us, because largest 2-stroke engines which are available are little bit too small of their engine capacity. It's about 300 cc – 400 cc and it’s not enough to reach as good power / weight ratio in our motorcycle as possible with 4-stroke engine. This selection is based on series-produced engines, exception for example in MM-series middle class GP2 has used 250 cc 2-stroke engines, these had power about 110 hp.

So we decided to acquire 4-stroke engine and next we needed to think which one is better inline- or V-engine.

While choosing the right engine we had a tight budget to follow so we wanted to find a suitable engine as cheap as possible. We decided that: the engine displacement should be 600 cc - 1000 cc, powerful inline-4-engine and model should be newer than 2003. Also a slipper clutch would had been nice but not necessary. Slipper clutch is useful when you’re breaking with the engine brake because tires can’t lock but the clutch starts to slide if the breaking moment is too high. We wanted to have the 600 cc - 1000 cc inline-engine because many different manufacturers manufacture just those engine capacities which are suitable for track use.

We ended up buying a crashed year 2004 Suzuki GSX-R 750 cc motorcycle from damaged vehicle center. Fairings were broke from the other side and the back frame was split. It was ok to us because we were going to make them however by ourselves. Engine, shock absorbers, exhaust pipe and rims were fine and suitable for our project so we had a lot of executable parts from the motorcycle.

Pictures of motorcycle and engine which we bought is at the end of the Finnish version of this post, below.

Sopivan tekniikan valinta

Kun lähdetään itse suunnittelemaan ja rakentamaan ratamoottoripyörää on aluksi mietittävä, mitkä osat aiotaan suunnitella ja valmistaa itse ja mitkä aiotaan hankkia muualta. Ennenkuin varsinaisen suunnittelun voi aloittaa on päätettävä esimerkiksi minkälainen moottori olisi paras mahdollinen tavoitteiden kannalta. Myöskin pyörään parhaiten soveltuvat iskunvaimentimet on hyvä miettiä niin pian kuin mahdollista.

Moottori

Aluksi hieman tietoa siitä minkä tyyppisiä moottoreita ratamoottoripyörissä on käytetty ja hieman niiden hyvistä ja huonoista puolista. Eli ratamoottoripyörissä käytetään pääsääntöisesti 4-tahtisissa rivi-4, V2- ja V4-moottoreita. 2-tahtisissa on tehty V2-, rivi-2 ja yksi sylinterisiä moottoreita.

2-tahtimoottori

2-tahtimoottorit ovat kevyempiä suhteessa saman kokoluokan 4-tahtimoottoriin, johtuen moottorin yksinkertaisemmasta toiminnasta. 2-tahtimoottorista saadaan myös enemmän tehoa, kuin samankokoisesta 4-tahtimoottorista, koska 2-tahtimoottorissa jokaisella kampiakselin kierroksella on työtahti, kun taas 4-tahtimoottorissa joka toisella. 2-tahtimoottorin huonoina puolina voi pitää moottorien saatavuutta, kestävyyttä ja hintaa. Esimerkiksi ratakäytössä mäntä tai männät pitää vaihtaa noin 10 tunnin ajon jälkeen. Myöskään yli 100 hevosvoiman sarjavalmisteisia 2-tahtimoottoreita ei ole juurikaan valmistettu, joten sellaisen hankkiminen / valmistaminen tulisi kalliiksi.

4-tahtimoottori

4-tahtimoottoreista rivi-4 on suosituin ja näin ollen eniten valmistettu. Tämä johtuu luultavimmin siitä, että rivimoottori on halvempi valmistaa kuin V-moottori. Rivimoottorin kierrosalueesta saa myös helposti laajemman kuin V-moottorista ja näin ollen siitä saa myös enemmän tehoa. Esimerkiksi uudesta Suzukin GSX-R:n 1000 cc:stä saadaan 185 hp / 12000 rpm ja Ducatin uudesta 1198:sta saadaan 170 hp / 9750 rpm. V-moottorin kierrosalueestakin saa kuitenkin pidemmän, sylinterien lukumäärää nostamalla, kuten esimerkiksi Aprilian uudessa RSV4-R:ssä, jossa on V4-moottori ja tehoa 180 hp / 12500 rpm. Eli V-moottorista pystyy saamaan melkein saman verran tehoa kuin samankokoisesta rivi-moottorista, mutta tehokas V-moottori on jonkinverran saman tehoista rivi moottoria kalliimpi.

Nyt, kun olen kirjoittanut hieman moottori vaihtoehdoista, kerron minkälaiseen moottoriin me päädyimme projektissamme.

Meille tärkeimmät kriteerit moottoria valittaessa olivat:

- Hinta

 o Moottorin hankkimiseen ja huoltamiseen koituvat kustannukset mahdollisimman pienet

- Teho- / painosuhde

 o Mahdollisimman hyvä moottoripyörän teho- / painosuhde

- Tekniikka

 o Mahdollisimman uutta moottorinohjaustekniikkaa

Ensiksi oli hyvä miettiä kumpi 2-tahti- vai 4-tahtimoottori olisi hyvä tavoitteidemme kannalta. Päädyimme 4-tahtimoottoriin, koska suurimmat saatavilla olevat 2-tahtimoottorit ovat iskutilavuudeltaan varsin pieniä noin 300 - 400 kuutioisia, eikä niillä pysty saavuttamaan niin hyvää moottoripyörän teho / paino suhdetta kuin saatavilla olevilla 4-tahtimoottoreilla. Tämän valinnan olemme siis tehneet sarjavalmisteisten moottoreiden perusteella, poikkeuksena esimerkiksi MM-sarjan keskimmäisessä luokassa, GP2:ssa on käytetty 250-kuutioisia 2-tahtimoottoreita, joissa on tehoa noin 110 hevosvoimaa.

Olimme siis päättäneet hankkia 4-tahtimoottorin ja seuraavaksi oli mietittävä kumpi olisi parempi vaihtoehto rivi- vai V-moottori. Moottoria valittaessa meillä oli rajoittavana tekijänä tiukka budjetti eli halusimme löytää sopivan moottorin mahdollisimman halvalla, lisäksi halusimme myös, että se olisi mahdollisimman tehokas. Näiden kriteereiden perusteella päätimme valita rivi-4 moottorin.

Päätimme, että sen piti olla iskutilavuudeltaan 600 - 1000 kuutioinen ja vuosimalliltaan mieluusti uudempi kuin 2003. Lisäksi myös luistokytkin olisi ollut hyvä olla, muttei pakollinen. Luistokytkimestä on se hyöty, että moottorijarrulla rengas ei pääse lukkiutumaan vaan kytkin alkaa luistamaan, mikäli jarruttava voima on liian suuri. Halusimme 600 – 1000-kuutioisen moottorin siksi, koska monelta eri valmistajalta löytyy juuri 600 – 1000-kuutioisia tehokkaita moottoreita, jotka soveltuvat hyvin rata-ajoon.

Päädyimme ostamaan autovahinkokeskukselta vuoden 2004 Suzuki GSX-R 750-kuutioisen kaadutun moottoripyörän. Moottoripyörän katteet olivat menneet toiselta puolelta hajalla ja takarunko oli haljennut, mikä sopi meille mainiosti, koska rungon aioimme valmistaa itse. Moottori, iskunvaimentimet, pakoputkisto ja vanteet olivat kunnossa, joten saimme Suzukista paljon käyttökelpoisia osia.

Alla kuva AVK:lta ostamastamme Suzuki GSX-R 750 vm. 2004 moottoripyörästä ja saman pyörän moottorista:

Prologue

What is this blog all about? What are the goals of the blog?

Blog tells you the journey of designing and building a track motorcycle by two engineering students, Toni Kosonen and Kimmo Kari, from Finland, Tampere University of Applied Sciences. Motorcycle which is designed to go around track as fast as possible.

We will concentrate, in boundaries of our constantly developing knowledge, to things that will get us forward to this target. To us this project has opened new doors to efficient learning and that is what we try to share with you, readers. Passion is what drives us and gives as a motivation, which pushes our will of power to start action, this is followed by productive learning. Learning is in other way said, fun. Blog will also build our knowledge by forcing us to remember all again all that we have thought and done past year in this project. Comment freely, but rather with reasoning, so we all can learn more.

We will pursue to handle things widely and with detail, this is possible, because in our project goal has set high and that means small detail will affect to result significantly. I don´t think that we will write about, for example, how humidity of the air affects friction of the tires, but how the weight of moving parts of the motor affects to throttle response, that we might write.

The project started last fall (2009) from an idea. I was in our university at CAD course and were using Catia CAD software, then somewhere the idea comes to my head. Idea of designing a motorcycle frame with this program. I slightly incubated the idea and then told to my good friend and classmate Kimmo Kari about it, he didn't knock it down, so we started to think about it and the project, how to do it and what would be the goals of it? Then we went to talk about it to our university and they luckily showed green light to the project.

You can see picture of the motorcycle, year after the idea, below at the Finnish version of this post.

Where we are now? As the picture tells you, bike looks naked, but you could drive it. And so we had, we went to the local go-kart track to test it. Motorcycle did feel agile, steady and fast, and most important it remain intact the whole day. Our expectations were filled and the day was very rewarding after long hard work for the motorcycle. Sadly winter is right at the door, so we are not going to drive it more in this season, but in the next there's going to be a lot of track days, driving and testing, a lot of fun, before that there's going to be lot of work first.

Our sponsors, that had made all this possible, are at the end of the Finnish version of this post, below.

Johdanto

Mistä tämä blogi kertoo? Mitkä ovat blogin tavoitteet?

Blogi kertoo kahden insinööriopiskelijan (allekirjoittanut Toni Kosonen, sekä Kimmo Kari) intohimoisesta projektista suunnitella ja rakentaa ratamoottoripyörä, moottoripyörä joka on alusta asti suunniteltu tuottamaan pienin mahdollinen kierrosaika Suomen keskinopeudeltaan hieman alhaisemmilla moottoriradoilla.

Paneudumme jatkuvasti kasvavan osaamisemme rajoissa asioihin, jotka vievät kohti tätä tavoitetta, meille tämä projekti on avannut uusia ovia tehokkaaseen oppimiseen ja sen yritämme jakaa teidän, lukijoiden, kanssanne. Intohimo motivoi ja auttaa tahdonvoimaa aloittamaan tekemisen ja projekti ohjaa tätä, mistä seuraa tuloksekasta oppimista, oppimisesta tulee niinsanotusti mukavaa. Blogi myös vahvistaa oppimista, koska meidän täytyy kerrata projektiin liittyviä asioita perinpohjaisesti ja kirjoittaa ne ylös blogia tehdessämme. Kommentoikaa ja kyseenalaistakaa vapaasti, mutta mielummin perustelujen kera, niin opimme kaikki enemmän.

Pyrimme käsittelemään asioita laajalti ja yksityiskohtaisesti, tämä on mahdollista, koska projektin tavoitteet ovat asetettu korkealle, niin pienikin asia vaikuttaa merkittävästi tavoitteeseen pääsyyn. Emme kuitenkaan luultavasti käsittele esimerkiksi kuljettajan vireystilaa ajohetkellä tai ilmankosteusprosentin vaikutusta renkaan ja tien väliseen kitkaan, mutta esimerkiksi moottorin liikkuvien osien painon ja kierrosherkkyyden välisestä suhteesta saatamme kirjoittaa.

Projekti alkoi viime syksynä  (2009) ideasta. Olin CAD-kurssilla opinahjossamme Tampereen ammattikorkeakoulussa ja käyttäessäni Dassault Systems:n Catia CAD-ohjelmaa mieleeni tuli idea; mitäs jos suunnittelisi tällä ohjelmalla moottoripyörän rungon? Hieman ajatusta kypsyteltyäni puhuin ideasta hyvälle ystävälleni ja luokkakaverilleni Kimmo Karille, joka ei tyrmännyt ajatusta, joten aloimme miettimään projektia, sen toteutusta ja tavoitteita. Tämän jälkeen marssimme silloisen koulutuspäällikkömme juttusille ja hän näytti onneksemme projektille vihreää valoa.

Alla kuva moottoripyörästä tällä hetkellä, noin vuosi idean jälkeen, ajokunnossa:

Missä mennään tällä hetkellä? Kuten kuva kertoo, moottoripyörä näyttää riisutulta, mutta ajokuntoiselta ja olemmekin käynneet ajamassa sillä Kaanaan mikroautoradalla. Ensimmäinen ajokerta mikroautoradalla osoitti pyörän olevan ketterä, vakaa ja hyvin kiihtyvä, sekä kaikki toimi hyvin koko päivän, eli toisin sanoen odotukset täyttyivät ja testipäivä olikin erittäin palkitseva kokemus pitkän uurastuksen jälkeen. Tarkempia tutkimustuloksia ajettavuudesta ja nopeudesta saamme isommille moottoriradoille siirryttäessä. Tänä syksynä emme kuitenkaaan lähde vielä esimerkiksi Alastaron moottoriradalle, mutta ensi kaudella tavoitteena on päästä ajamaan pyörällä reilusti.

Tämän kaiken on mahdollistanut tukijamme, jotka ovat tällä hetkellä:

www.henryfordinsaatio.fi

www.tamk.fi

www.takk.fi

www.ruukki.com

www.htlaser.fi

www.yamaha-center.fi/Tampere

www.rautasoini.fi

www.kaanaakarting.com