Aby przypomnieć sobie, jakie parametry opisują przednie zawieszenie, spójrzmy na ilustrację 1.

Ilustracja 1. Podstawowe parametry geometrii motocykla.

Ilustracja 1. Podstawowe parametry geometrii motocykla.

Widzimy tam odsunięcie przednich lag, kąt główki ramy oraz wyprzedzenie osi główki ramy. Wyprzedzenie będzie ściśle zależeć od odsunięcia oraz kąta pochylenia główki ramy. Jeżeli zwiększylibyśmy kąt główki ramy, automatycznie zwiększeniu uległaby wartość wyprzedzenia. Oczywiście dokładnie odwrotnie byłoby w przypadku zmniejszenia kąta główki ramy – spowodowałoby to zmniejszenie wyprzedzenia. Natomiast zwiększając odsunięcie przednich lag od główki ramy, zmniejszymy wyprzedzenie. Jak kąt główki ramy i wyprzedzenie wpływa na jazdę motocyklem? Chyba każdy instynktownie czuje, że duży kąt główki ramy to duża stabilność motocykla w czasie jazdy na wprost. Przykład? Znane szczególnie z amerykańskich filmów motocykle typu chopper o bardzo mocno wysuniętych do przodu lagach rzeczywiście wykazują się stabilnością przy ruchu prostoliniowym. Taki motocykl łagodniej zareaguje na impuls zakłócający niż motocykl o mniejszym kącie główki ramy. Problemem będzie jednak pokonywanie zakrętów na takim motocyklu. Duży kąt główki ramy utrudnia wchodzenie w zakręt. Dlatego też, aby motocykl „pomagał” kierowcy we wchodzeniu w zakręt, kąt główki ramy musi być mniejszy.

Wyprzedzenie dodatnie czy ujemne

Podobne zależności występują w przypadku wyprzedzenia osi główki ramy. Duże wyprzedzenie gwarantuje stabilne prowadzenie, gdy jedziemy na wprost. Zmniejszenie wyprzedzenia poprawia nieco poręczność motocykla. Oczywiście wszystko wymaga kompromisu: konstruktor musi tak dobrać wyżej wymienione parametry, żeby motocykl dobrze spisywał się w każdych warunkach.

Przyjrzyjmy się dokładniej wyprzedzeniu (ilustracja 2), które może mieć wartość dodatnią lub ujemną.

Ilustracja 2. Dodatnie i ujemne wyprzedzenie osi główki ramy.

Ilustracja 2. Dodatnie i ujemne wyprzedzenie osi główki ramy.

Przy dodatnim wyprzedzeniu, jeśli patrzymy z boku na motocykl, oś główki ramy przetnie jezdnię w punkcie znajdującym się za punktem styku koła z jezdnią. Inaczej mówiąc: punkt przecięcia jezdni przez oś główki ramy znajduje się bliżej przodu motocykla niż punkt styku koła z jezdnią. Przy wyprzedzeniu ujemnym jest odwrotnie: punkt przecięcia jezdni przez oś główki ramy znajduje się przed punktem styku koła z jezdnią.

W motocyklu pożądane jest wyprzedzenie dodatnie, ponieważ zapewnia ono samostabilizację koła w warunkach, w których na motocykl działają siły zakłócające ruch. Wyprzedzenie dodatnie zapewnia niwelowanie się dwóch momentów działających na przednie koło. Żeby zrozumieć to zagadnienie, przypomnę, czym jest moment obrotowy. Na ilustracji 3 w dolnym lewym rogu zaznaczona jest siła F znajdująca się w odległości L od jakiegoś punktu.

 Ilustracja 3. Wpływ wyprzedzenia na stabilizację przedniego koła.

Ilustracja 3. Wpływ wyprzedzenia na stabilizację przedniego koła.

Moment obrotowy, jaki wywoła siła F względem tego punktu, będzie równy iloczynowi wartości siły F i odległości L. Skoro wiemy, czym jest moment, skupmy się na modelu przedstawiającym wyprzedzenie dodatnie (ilustracja 3, lewa strona). W motocyklu z jakiegoś powodu doszło do skręcenia kierownicą. Spowodował to moment wymuszający MW. Może to być moment wywołany świadomie przez kierowcę, ale równie dobrze może to być moment, który powstał na skutek zadziałania czynnika zakłócającego, np. bocznego wiatru. Kolorem czerwonym narysowane zostało koło już po skręceniu kierownicy. Zauważmy bardzo ważną rzecz: przy skręcaniu kierownicą całe przednie zawieszenie oraz koło obraca się wokół punktu stanowiącego przecięcie osi główki ramy z jezdnią (punkt B), a nie˜– jak można mylnie przypuszczać – wokół punktu styku koła z jezdnią. Po skręceniu koła jego punkt styku z jezdnią przemieścił się do punktu A’. W punkcie tym działa siła boczna, która częściowo równoważy siłę odśrodkową. Siła boczna Fb wytworzy względem punktu B moment MFb. Jego zwrot będzie przeciwny do zwrotu momentu MW. Skoro zwroty są przeciwne, momenty częściowo zniwelują się. Inaczej mówiąc: wartość momentu MW zmniejszy się o wartość momentu MFb. Jeżeli MW był wywołany siłą zakłócającą, skutki jego działania będą mniejsze właśnie dzięki dodatniemu wyprzedzeniu. Dodatkowo dzięki dodatniemu wyprzedzeniu, a co za tym idzie – dzięki momentowi MFb, koło będzie miało tendencję do powracania do pozycji „jazdy na wprost”. To właśnie dzięki pozytywnemu wyprzedzeniu, gdy puścimy kierownicę w czasie jazdy, motocykl nadal będzie poruszał się prostoliniowo.

A co w sytuacji, gdy wyprzedzenie będzie ujemne? Spójrzmy na prawą część ilustracji 3. W tym przypadku punkt styku koła z jezdnią jest bliżej przodu motocykla. Po skręceniu kierownicą punkt styku koła z jezdnią znajduje się w punkcie A’. W punkcie tym działa siła boczna i wywołuje względem punktu B moment MFb. Jego zwrot jest jednak taki sam jak zwrot momentu MW. Jeżeli moment MW wywołany był siłą zakłócającą, to ujemne wyprzedzenie spowoduje spotęgowanie jego oddziaływania. Inaczej mówiąc: wartość momentu wymuszającego została zwiększona o wartość momentu MFb. W tym przypadku nie ma mowy o żadnej stabilizacji koła – koło nie będzie miało tendencji do powracania do pozycji w kierunku „jazdy na wprost”. Jak widać na podstawie tego rysunku, zdecydowanie bardziej pożądane jest wyprzedzenie dodatnie.
Na wartość wyprzedzenia osi główki ramy wpływ ma jeszcze jeden bardzo prosty parametr – rozmiar koła. Spójrzmy na ilustrację 4: zobrazowany został tutaj wpływ rozmiaru koła na wartość wyprzedzenia.

Ilustracja 4. Wpływ rozmiaru koła na wartość wyprzedzenia.

Ilustracja 4. Wpływ rozmiaru koła na wartość wyprzedzenia.

Zależność jest bardzo prosta: zwiększając średnicę koła, zwiększamy wyprzedzenie, natomiast zmniejszając średnicę koła, zmniejszamy je. Jest to bardzo ciekawe i przede wszystkim proste zjawisko. Budując własnego Cafe Racera lub jakiś inny customowy sprzęt, warto pamiętać, że możemy poprawić jego stabilność, stosując koła o nieco większej średnicy, zaś chcąc poprawić jego poręczność, warto zastosować koła o nieco mniejszej średnicy.

Zmiany wyprzedzenia w trakcie jazdy

Omówimy teraz, jak wartość wyprzedzenia zmienia się w określonych warunkach ruchu motocykla. Wiemy już, że wyprzedzenie jest ściśle zależne od odsunięcia oraz od kąta pochylenia główki ramy. Dodatkowo na wartość wyprzedzenia wpływ ma średnica koła. Okazuje się jednak, że wyprzedzenie może zmieniać się w czasie jazdy. Identyczny wpływ będzie miało wysunięcie lag do góry względem półek.

Aby dokładnie omówić zmianę wyprzedzenia w czasie jazdy, posłużymy się ilustracją 5, na której przedstawiono schematycznie motocykl w dwóch stanach.

Ilustracja 5. Zmiana wartości parametrów geometrii motocykla podczas hamowania.

Ilustracja 5. Zmiana wartości parametrów geometrii motocykla podczas hamowania.

Kolorem niebieskim oznaczono motocykl poruszający się ruchem jednostajnie prostoliniowym (czyli ze stałą prędkością). Motocykl ten opisany jest parametrami: L1 (rozstaw osi), W1 (wyprzedzenie), α1(kąt pochylenia główki ramy). Kiedy motocykl zaczyna hamować, przednie zawieszenie ulega ściśnięciu – mamy do czynienia z tzw. nurkowaniem przedniego zawieszenia. Jest to typowe zjawisko występujące w zawieszeniu teleskopowym. W historii motocykli znane są rozwiązania układów „anti dive”, które miały to niwelować. Można je znaleźć np. w Hondzie Goldwing 1800. W wyniku nurkowania przednia dolna półka łącząca obie lagi znajdzie się zdecydowanie bliżej przedniego koła. Na ilustracji 5 obrazuje to przednie koło w kolorze czerwonym. Spójrzmy teraz, jak wygląda motocykl, który ma ściśnięte zawieszenie podczas hamowania. W wyniku ściśnięcia przedniego zawieszenia zmniejszył się kąt główki ramy. Podobnie jest również z rozstawem osi oraz wyprzedzeniem. Z poprzednich akapitów wiemy, że zmniejszenie wyprzedzenia w pewnych rozsądnych granicach może zwiększyć poręczność motocykla. Dlatego też, jeżeli nurkowanie nie jest zbyt duże, wpływa pozytywnie na właściwości jezdne: może pozwolić na przykład na wydłużone hamowanie podczas wchodzenia w zakręt. Należy jednak podkreślić, że jest to pozytywnym zjawiskiem w pewnych warunkach i przy pewnych, ściśle określonych wartościach ugięcia zawieszenia. Na etapie konstruowania motocykla koniecznie trzeba wziąć pod uwagę wartości ugięcia zawieszenia i tak zaprojektować jego geometrię, aby podczas jazdy nie dochodziło do drastycznych zmian zachowania motocykla w wyniku zmiany wyprzedzenia osi główki ramy.

Jak już wspomniano, w czasie nurkowania przednie koło znajduje się bliżej dolnej półki (w porównaniu z sytuacją, gdy motocykl porusza się ruchem jednostajnie prostoliniowym). Podobny efekt uzyskamy, wysuwając lagi ponad górną półkę. Spójrzmy ponownie na ilustrację 5. Literą A oznaczono wartość, o jaką wysunięto ponad górną półkę lagi przedniego zawieszenia. Dzięki temu koło zostało „podciągnięte” ku dolnej półce, a to spowodowało zmniejszenie kąta główki ramy, rozstawu osi oraz wyprzedzenia. Warto o tym pamiętać, jeżeli samodzielnie chcemy wpłynąć na wartość wyprzedzenia. Szczególnie ważne jest, aby podczas prac serwisowych, w czasie których demontowane są lagi, przy składaniu zawieszenia umieścić je w półkach w takiej samej pozycji, w jakiej były przed demontażem. Jeżeli zostaną one zamocowane inaczej, może okazać się, że użytkownik motocykla odczuje inne zachowanie pojazdu w czasie jazdy.
Hamowanie niestety nie jest jedynym przypadkiem, w którym dochodzi do zmiany wartości wyprzedzenia. Czasami, gdy motocykl porusza się po złej nawierzchni, może dojść do sytuacji, w której wyprzedzenie zmieni wartość z dodatniej na ujemną. Przedstawiono to na ilustracji 6.

Ilustracja 6. Zmiana wartości wyprzedzenia osi główki ramy podczas jazdy po nierównej nawierzchni.

Ilustracja 6. Zmiana wartości wyprzedzenia osi główki ramy podczas jazdy po nierównej nawierzchni.

W lewej części tego rysunku widzimy, że motocykl, poruszając się po płaskiej nawierzchni, ma dodatnie wyprzedzenie osi główki ramy. Jeżeli jednak na drodze pojawi się specyficzna nierówność, taka jak przedstawiona w prawej części ilustracji 6, to punkt styku koła z jezdnią przesunie się do przodu, a wartość wyprzedzenia będzie wtedy ujemna. Tego typu nierówność to np. dziura w jezdni lub przeszkoda, np. krawężnik. Przy ujemnym wyprzedzeniu nie występuje samostabilizacja koła, a to może doprowadzić do wywrotki motocykla.

Sposoby realizacji wyprzedzenia mogą być różne, np. odsuwanie osi lag od osi główki ramy. W niektórych motocyklach oś główki ramy leży w tej samej płaszczyźnie co osie lag, natomiast oś przedniego koła jest odsunięta od lag. Przedstawia to ilustracja 7 (z prawej). Innym sposobem jest wygięcie zawieszenia w dolnej części (z lewej).

Ilustracja 7. Różne sposoby realizacji wyprzedzenia.

Ilustracja 7. Różne sposoby realizacji wyprzedzenia.

Ten przykład należy jednak traktować jako ciekawostkę, ponieważ nie spotyka się takiego rozwiązania w motocyklach, a co najwyżej w rowerach.

W motocyklach, które w przednim zawieszeniu mają wahacze, również realizuje się dodatnie wyprzedzenie. Bardzo prosto można to zobrazować na przykładzie zawieszenia typu telelever oraz duolever (ilustracja 8).

Ilustracja 8. Wyprzedzenie „osi” główki ramy w zawieszeniu typu duolever i telelever.

Ilustracja 8. Wyprzedzenie „osi” główki ramy w zawieszeniu typu duolever i telelever.

W tego typu zawieszeniach mamy do czynienia z wirtualną osią główki ramy.  W przypadku zawieszenia telelever jest to oś przechodząca przez górny punkt obrotu oraz sworzeń wahacza. W przypadku duolever jest to oś przechodząca przez środki sworzni obu wahaczy.

Na tym zakończymy omawianie geometrii. Jak widać temat ten – z pozoru błahy – w rzeczywistości jest bardziej skomplikowany. W kolejnych artykułach poruszymy zagadnienia związane ze środkiem masy motocykla.

INFO
Autor prowadzi na YouTube kanał „Motoryzacja z Inżynierskiego Punktu Widzenia”. Można tam znaleźć wiele materiałów związanych z motoryzacją, a w szczególności z motocyklami.