Vahadlová vidlice je přední odpružení motocyklu, u něhož je osa kola uložena v dolní části kyvného ramene a pohyb kola je veden soustavou vahadel spojených s krkem řízení. Vahadlové vidlice jsou v původním provedení kyvným ramenem, v jehož dolním konci je opřena osa kola. Vrchní konec je zavěšen na dvou párech vahadel, které spolu s čepem procházejícím osou řízení tvoří čtyřčlenné ústrojí.
K pružení jsou zde využívány zejména tlačné pružiny, zřídka pak tažné, uhlopříčně uložené. V čepech vahadel jsou montovány třecí tlumiče kmitů. Střed kola při propružení koná všeobecně zakřivenou dráhu vzhledem k rámu.
Konstrukce vahadlové vidlice
Vahadlová vidlice využívá několik vzájemně spojených konstrukčních členů, které zajišťují vedení kola, přenos zatížení i pružení. Dolní část tvoří kyvné rameno s uloženou osou předního kola, zatímco horní část je prostřednictvím vahadel spojena s krkem řízení a rámem motocyklu.
Čtyřčlenné ústrojí vzniká spojením kyvného ramene, dvojice vahadel a části spojené s osou řízení. Vahadla určují dráhu pohybu kola a jejich délka i vzájemná poloha ovlivňují změnu stopy, rozvoru a dalších geometrických veličin během propružení.
U původních konstrukcí se používaly především tlačné pružiny uložené šikmo, zatímco tažné pružiny byly méně obvyklé. Tlumení kmitů zajišťovaly třecí tlumiče umístěné v čepech vahadel. Třecí tlumič vytváří odpor proti pohybu prostřednictvím tření v uložení, takže konstrukce nevyužívá hydraulický tlumič známý z moderních teleskopických vidlic.
Kinematika pohybu kola
Kinematika pružení paralelogramové vidlice je stejná jako při odpružení kyvným ramenem se stejnou délkou jako vahadla. Paralelogramová vidlice se liší od vahadlové jenom rameny se stejnou délkou, která pak spolu s nosníkem vidlice tvoří rovnoběžník - Paralelogram.
Tento typ pružení osciluje mezi typem pružení po kružnici a po všeobecné křivce. Tenhle typ kinematicky řadíme mezi pružení po kružnici. Jakmile mají ramena nestejnou délku, přestává soustava tvořit přesný rovnoběžník a dráha středu kola se mění na obecně zakřivenou křivku.
Vahadlová vidlice umožňuje navrhnout pohyb kola jinak než teleskopická vidlice. Kolo se při propružení nepohybuje jednoduše po přímce ve směru os vidlice, ale po dráze určené otáčením vahadel a kyvného ramene kolem jejich čepů.
Vývoj a historické použití
Vidlice tohoto typu se dnes používají pouze zřídka, jejich doba skončila krátce po druhé světové válce. Posledním motocyklem s vahadlovou vidlicí vyrobeným v Československu je ČZ 125, kde byla montována pouze do první třetiny výroby.
Těsně po skončení války se vyráběly ještě nějakou dobu předválečné modely i ve vyšších třídách, nejen 175ccm, ale taktéž modely 250ccm. ČZ Strakonice byla nejprve přidělena výroba motocyklů o objemu do 150ccm, později rozšířena na 175ccm.
Po válce vyvíjené motocykly začaly ve Strakonicích označovat podle písmen abecedy - začalo se od začátku písmenem A - 125A byl první poválečný model, který byl přímo odvozen od předválečných motokol ČZ 98 a to především z typu Holanďan. Protože se konstrukce takovéto stopětadvacítky ukázala jako příliš subtilní, byl následně vyvinut nový model o obsahu 125ccm a byl označen následujícím písmenem v abecedě - 125B.
V roce 1948 byla přední vahadlová vidlice nahrazena teleskopickou a takto inovovaný typ byl označen 125Bt (tedy 125B s teleskopickou vidlicí , t = teleskop), to bylo později zjednodušeno na 125T. Tento vývoj představuje významný přechod od historického vahadlového uspořádání k teleskopickému odpružení, které se následně stalo běžným řešením.
Výhody a nevýhody
Výhodou vahadlového uspořádání je možnost ovlivnit dráhu předního kola pomocí délky ramen, polohy čepů a umístění pružicí jednotky. Konstrukce může vhodným uspořádáním omezit některé změny geometrie, které jsou typické pro jednoduché systémy vedení kola.
Nevýhodou je, že při poměrně malých zdvizích pružení zde vzniká značná změna stopy. Tohle bylo později řešeno rameny s nestejnou délkou. Paralelogram se tedy časem změnil na všeobecné čtyřčlenné ústrojí.
Další nevýhodou je složitější konstrukce s větším počtem čepů, uložení a spojovacích dílů. Protože se pohyb přenáší přes více kloubů, mohou opotřebené čepy a pouzdra způsobit vznik vůlí. Vůle následně ovlivňují přesnost vedení kola, stabilitu řízení i účinnost tlumení.
Vahadlová vidlice a změna stopy
Změna stopy souvisí s tím, že osa kola během propružení nekoná stejný pohyb jako u ideálního svislého vedení. Když se mění poloha osy kola, mění se také úhel řízení a vzdálenost místa dotyku pneumatiky s vozovkou od průsečíku osy řízení s vozovkou.
Při návrhu vahadlové vidlice je proto nutné sledovat nejen samotný zdvih, ale také celou dráhu osy kola. Délka vahadel, délka kyvného ramene a poloha čepů rozhodují o tom, jak rychle se stopa během propružení mění.
U paralelogramového uspořádání se kinematika blíží pohybu kyvného ramene se stejnou délkou, jako mají vahadla. U nestejně dlouhých ramen lze průběh pohybu upravit, ale výsledkem už není geometricky přesný paralelogram.
Statická rovnováha sil ve vidlici
Váha motocyklu působí v těžišti. Proto jí můžeme rozdělit na dvě složky procházející osami předního a zadního kola. Reakce působící v ose kola je rovná statickému zatížení, zmenšenému o váhu samotného kola.
Tuhle reakci můžeme vektorově rozdělit na dvě složky. Tečná složka působí v ose vidlice a je zachycena pružinami, druhá je normálová směrující do středu křivky dráhy středu kola, která je bez vlivu na zatížení pružin a přenáší se přímo do vedení kola.
Tečná síla rovněž ovlivňuje namáhání ve vedení kola. Reakce ve vedení nevznikne jen tehdy, je-li pružící člen v přímém směru dotyčné síly a současně prochází jeho osou kola. Tenhle rozklad sil je uplatnitelný pouze u teleskopických vidlic, které nemají předsazenou osu kola.
U vahadlové vidlice je nutné řešit přímo rovnováhu členů, jež nesou osu kola. Síly se přenášejí přes vahadla, čepy, kyvné rameno a pružicí člen, takže výsledné namáhání závisí na jejich vzájemné poloze.
Rovnováha sil v kyvném rameni
Grafické řešení rovnováhy sil při stlačené kyvné vidlici, kdy poznáme zatěžující sílu P, polohu a směr nositelky S, což je síla která leží v ose pružiny. Reakce v čepu musí procházet uložením vidlice A, a velikost téhle reakce je v rovnováze se silami P a S.
Protože zde nemáme více sil, musí reakce procházet jejich průsečíkem X. Tím je daný směr reakce R jako spojnice bodů X a A, takže velikost síly působící v čepu je daná vektorovým sčítáním, jenž je závislé na délce ramen.
Z toho vyplývá, že síla v čepu není určena pouze hmotností motocyklu. Významnou roli má také poloha pružiny, úhel její osy, délka ramene a poloha čepu, přes který je zatížení přenášeno do konstrukce.
Chování při přejezdu překážky
Při průjezdu přes překážku budeme vycházet z předpokladu, že reakce leží jenom v normálu styčné plochy. Tenhle předpoklad však platí pouze při představě nepružného kola.
Ve skutečnosti při přejezdu ostrých hran dochází k posunu téhle síly, kvůli deformaci kola a pneumatiky, kde vstupuje do hry také typ pneumatiky. Tedy směr síly pak můžeme zjednodušeně předpokládat z těžiště styčné plochy do středu kola.
Obtížnou zůstává velikost téhle síly. Při pomalém přejíždění platí statický rozklad sil doplněný o reakční sílu. Při skutečném určení síly nám do děje vstupuje také nastavení tlumičů, konstanta pružin, poměr neodpružené a odpružené hmoty.
V uvedeném příkladu níže je vyobrazen poměr sil při projezdu obrubníku. Také dle tabulky můžete sledovat změnu velikosti síly vzhledem k velikosti kola.
Reakce při brzdění
Síly, které působí na motocykl při brzdění, jsou fyzikálně stejné nebo velice podobné dynamice při zpomalování. Při brzdění působí mezi vozovkou a pneumatikou tečná síla P_bp, které maximální hodnota je dána součinem vlastní váhy a adheze.
P_bpmax=f_0.F_p [N]
F_p=G_p.g
Součinitel adheze f_0 (trakce) pro obvyklé pneumatiky na drsné vozovce (z betonu nebo hrubého asfaltu) dosahuje hodnoty kolem 1, výjimečně hodnoty vyšší. V běžné praxi se s takovými hodnotami nestýkáme, a tak počítáme při suché vozovce s hodnotami f_0=0,8÷0,9.
Tečná reakce F_b zpomaluje vozidlo a proto působí v těžišti setrvačná síla (součin hmoty a zpomalení) s velikostí shodnou s tečnou brzdnou reakcí. Tyhle síly tvoří silovou dvojici s ramenem h (výška těžiště).
Tahle dvojice je v rovnováze s dvojicí, která způsobuje přetížení předního a odlehčení zadního kola F_o. Rameno dvojice tvoří rozvor l. Výsledné zatížení předního kola je tedy F_p+F_o.
Také je možné tyto síly určit pomocí momentové rovnováhy k ose předního kola. Tečna reakce předního kola také ovlivňuje zatížení, tím i průhyb zadního pružení.
Jak jsme se již přesvědčili, také zatížení pružin je u různých typů předních vidlic nestejné. Navíc velká změna zdvihu spolu se změnou pozice řidiče z polohy jízdy do polohy brzdění působí malé posunutí těžiště směrem k přednímu kolu (ve statickém pojetí).
Brzdná reakce u vahadlové vidlice
Na obrázku níže je rozbor reakčních brzdných sil mezi dvěma odlišnými způsoby zachycení brzdné reakce. V případu a) je brzdná reakce zachycena přímo na kyvné rameno (brzdový třmen uchycen přímo na rameni), v případu b) je zachycena na předních pohyblivých nohách vidlice (například záchyt reakce bubnové brzdy).
Zjišťovat budeme vzrůst síly ∆S z brzdění, tj. tečné reakce P_bp. Rovnováha kyvného ramene z podmínky rovností momentu sil v pružině a tečné síly k čepu ramena.
V prvním případě a) můžeme tvrdit:
P_bp.a=∆S.b
∆S=P_bp.a/b
a,b-ramena na kterých působí síly
V případě b) ovlivňuje sílu v pružině pouze složka síly T_2, kolmá na směr ramena rovnoběžníku tvořeného výkyvným ramenem a jeho rovnoběžkou v místě zachycení reakce na vidlici.
Protože složka T_1, rovnoběžná s těmito rameny, způsobuje jen ohybové namáhání ramene a není zachycena pružinou. Podmínka rovnováhy je tedy:
∆S=T_2.a/b
kde velikost síly T_2 je samozřejmě závislá nejen na velikosti tečné reakce P_bp, ale také na sklonu ramen rovnoběžníku. U vodorovného ramene potom bude T_2=0 a ∆S=0, což znamená, že takový záchyt reakce mění charakteristiku pružení a také mění zatížení vidlice vzhledem k propružení.
Namáhání v zatáčce
Namáhání vidlice při průjezdu zatáčkou je velice podobné statickému zatížení za předpokladu, že hmotnost motocyklu je vektorovým součtem odstředivé síly (Fod) a hmotnosti motocyklu (G).
Tím, že pneumatika má svou šířku a zaoblení, dochází k posunu této síly, protože působí v místě těžiště kontaktu s vozovkou. Tudíž je vyosena z přímého směru, a jak zadní tak i přední vidlice je namáhána také na krut.
Jak je vidět v detailním záběru, při rozložení síly Fv, která namáhá vidlici „statickým způsobem“ je značena jako F1 a síla, jenž namáhá vidlici na krut je F2. Tohle vypadá jako nevýznamná složka síly, avšak při použití širokých zadních pneumatik se může rapidně zvyšovat.
Všechny síly, které působí na přední a zadní vidlici jsou většinou kombinací výše zmíněných. Znamená to, že když si třeba změníme šířku nebo výšku pneumatiky, ovlivňujeme tím nejenom geometrii řízení, ale také síly, jenž namáhají vidlici.
Vahadlová, paralelogramová a Springerova vidlice
Paralelogramová vidlice je v zásadě shodná s vidlicí vahadlovou, kde střed kola při propružení koná všeobecně zakřivenou dráhu vzhledem k rámu. Rozdíl spočívá především ve stejné délce ramen, která spolu s nosníkem vidlice vytvářejí rovnoběžník.
Springer je v jisté podobě odpružená vidlice motocyklu Harley-Davidson z roku 1903, jenž byl později pomenován Silent Gray Fellow. Posléze byl montován od r. 1930 do modelu VVL v současně známé podobě, až do šedesátých let, kdy byla sériová produkce ukončena až do příchodu HD Softail Springer po restrukturalizaci firmy.
Konstrukce spojuje vlastnosti teleskopické vidlice a kyvadlové s krátkým ramenem. Tedy charakteristika odpružení je téměř lineární, ale změna stopy se mění skoro o celou hodnotu propružení.
Je typická svým malým zdvihem a nepruží při brždění. Konstrukčně se jedná o pevnou vidlici, krátké kyvné rameno, pohyblivou vidlici uloženou v obyčejně mosazném vedení a vinutou pružinu, jež se zapírá o extra okulár přichycený na pevnou část.
Může být doplněna tlumičem kmitů, avšak samotným odporem tuhosti pohyblivé vidlice a jejím odporem v pouzdrech je útlum samovolně ovlivněn.
Rozdíly proti moderním konstrukcím
U moderních motocyklů se vedle teleskopických vidlic používají také systémy s odděleným vedením kola a pružením. Dalším představitelem pružení po všeobecné křivce pochází samozřejmě také z fabriky BMW a vy jistě víte, že mluvím o Teleleveru.
Výsledný pohyb předního kola je pohybem po kružnici s osou, která leží pod rovinou těžiště. Při brzdění tudíž nedochází k ponoru pružení, jak je tomu známo u konvenčních způsobů odpružení.
Při pohybu vykonává přední kolo rotaci kolem nulové osy, aby se eliminovala změna rozvoru, tento pohyb je shodný s pohybem kyvného ramene, jehož délka je větší než by jsme mohli dosáhnout kyvnou vidlicí.
Změna závleku předního kola při pružení činí v uvedeném příkladu kolem 3 %. Nevýhodný je pohyb kola směrem do překážky, což způsobuje prudké změny zrychlení tlumiče při průjezdu velkých nerovností.
Také můžete mít pocit, že motocykl plave, nebo že odezva řízení je nedostatečná. Tyto vlastnosti ukazují, že potlačení ponoru při brzdění nemusí automaticky znamenat lepší subjektivní odezvu řízení nebo vhodnější chování v každé jízdní situaci.
Údržba historické vahadlové vidlice
U historické vahadlové vidlice je důležité kontrolovat stav čepů, pouzder, vahadel, pružin, uložení osy kola a třecího tlumiče. Protože konstrukce pracuje s více kloubovými spoji, může se opotřebení projevit vůlí, nepravidelným pohybem nebo změnou geometrie.
Zvláštní pozornost vyžadují čepy vahadel. V dobových konstrukcích se mohou objevit poškozené otvory, ovalita, koroze a úbytek materiálu. Při renovaci je proto nutné posuzovat nejen vzhled dílů, ale také jejich rozměry a skutečnou funkci v sestavě.
Růžice třecího tlumiče na vidlici byla bakelitová se znakem ČZ, měli ji už i prototypy ČZ 125B. Vidlice byly lakované, fotky prototypů mají v chromu(niklu?) spodní vahadla.
U historických motocyklů se mohou jednotlivé díly lišit podle výrobní série, modelu nebo pozdější opravy. Mladší katalogy jsou opravdu jen orientační,většinou se v nich uvádí i součásti z jiných typů kterými lze nahradit původní díl.
Při opravě je proto vhodné ověřit skutečné provedení konkrétní vidlice a nespoléhat pouze na podobu dílu nebo obecné označení modelu. Důležitá je shoda rozměrů, uložení, závitů, délky ramen a polohy čepů.
Vahadlová vidlice u ČZ 125B
Tento stroj měl již zcela nově vyvinutou konstrukci, od které jsou pak postupně odvozeny další typy až do nástupu kývaček v roce 1954. V roce 1948 byla přední vahadlová vidlice nahrazena teleskopickou.
U ČZ 125B se při renovacích řeší například krk řízení, spodní a horní vahadla, rozpěra bočnic vidlice, čepy, pružina, držák pružiny, třecí podložky a přední osa. Při neúplném motocyklu bývá obtížné rozlišit původní díly od pozdějších náhrad.
Různé varianty povrchové úpravy a dílů mohou souviset s výrobní sérií, dobovou opravou nebo použitím náhradního dílu. U historického motocyklu proto nemusí každý odlišný detail znamenat chybu, ale může jít o dobové provedení nebo pozdější náhradu.
Vliv konstrukce na jízdní vlastnosti
Vahadlová vidlice ovlivňuje jízdní vlastnosti především dráhou předního kola, změnou stopy, přenosem brzdných sil a mírou neodpružené hmoty. Proto nelze hodnotit pouze tuhost pružiny nebo samotný zdvih bez znalosti celé kinematiky.
Poloha brzdového záchytu může měnit zatížení pružiny při brzdění. Úhel ramen ovlivňuje velikost složky síly, která se přenáší do pružicího členu, zatímco další složka může namáhat rameno na ohyb.
Změna pneumatiky ovlivní nejen geometrii řízení, ale také rozložení sil ve vidlici. Jiná šířka nebo výška pneumatiky mění místo kontaktu s vozovkou, polohu výsledné reakce a velikost momentů působících na vedení kola.
Vahadlová vidlice je proto příkladem konstrukce, u níž jsou mechanické vlastnosti, geometrie a jízdní projev navzájem těsně propojené. Každá změna rozměru, polohy nebo uložení může ovlivnit více funkcí současně.
Krásná Animovaná Mapa & Plynulý Pohyb | DaVinci Resolve | CZ Tutorial
Vahadlové vidlice v širším vývoji motocyklů
Nacházíme se v době, kdy si kupujeme motocykly se stavitelným podvozkem, motorky jsou stále lepší a dostupnější pro všechny, servis si už téměř nikdo doma nedělá. Technologie před pár lety používané ve sportovních motocyklech jsou dnes už standardem.
Co by ještě stálo za zmínku je například funkčnost elektronických podvozků, nebo semi-aktivních podvozků, jež snímají podmínky v čase a podle toho také upravují vlastnosti.
Také jsme se nezmínili o řízení rejdovým čepem, jenž v současnosti známe z motocyklů Bimota Tesi nebo Vyrus, ale také z britských motocyklů James Cycle Co. kolem roku 1910 nebo Yamaha GTS 1000.
Tyhle témata jsou však na jinou debatu, možná k více konkrétním technickým řešením než k všeobecným znalostem, které byly nabídnuty v tomhle seriálu.
Tohle všechno přeci neznamená, že máme ztratit zájem o techniku, kterou používáme na motocyklu denně. Pravidelný servis se netýká pouze motoru, ale také podvozku a všech částí, které zajišťují vedení kol, pružení a bezpečné přenášení sil.