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.