Maksymalną prędkość związaną z konstrukcją osiąga się, gdy siła pociągowa generowana przez silnik na tylnym kole i siły oporu występujące podczas jazdy są takie same. Aby móc jechać tak szybko, opory jazdy muszą być możliwie niskie, a moc silnika – jak najwyższa.

Moc czy moment obrotowy?

Wykres pokazuje krzywą mocy, momentu obrotowego i zużycia paliwa motocykla klasy średniej. Takie wykresy były wcześniej zamieszczane w podręczniku warsztatowym. W chwili obecnej jest to nie do pomyślenia ze względu na sytuację prawną (gwarantowane cechy produktu itp.).

Siły na mechanizmie korbowym w cyklu spalania: siła styczna FT wytwarza moment napędowy silnika za pośrednictwem korby o promieniu r. p – ciśnienie spowodowane spalaniem, AK – powierzchnia tłoka, FN – siła normalna, FK – siła tłoka, FP – siła korbowodu, FR – siła promieniowa, FT – siła styczna, r – promień korby

Silnik spalinowy potrzebuje sprzęgła i skrzyni biegów, aby jego moc i moment obrotowy przełożyły się na prędkość na drodze.

Tutaj widać, jakie prędkości są osiągane na poszczególnych biegach (czerwony) i jak skrzynia biegów zmienia siłę napędową silnika (niebieski). Ponadto przedstawiono krzywe oporu jazdy zależne od nachylenia terenu (szary). Tam, gdzie niebieska krzywa siły pociągowej przecina szarą krzywą oporu ruchu, osiągana jest maksymalna prędkość konstrukcyjna.

Podział sił podczas jazdy na pochyłości: przy kącie pochylenia 45° (100%) siła FN byłaby tak duża, jak FS, a koła straciłyby przyczepność przy współ-czynniku tarcia wynoszącym 1.

Moc i moment obrotowy to terminy, które są ciągle mylone. Różnicę miedzy nimi najłatwiej zrozumieć, zaczynając od samego początku, czyli od spalania w silniku. Wiadomo, że zasysana mieszanka paliwa i powietrza jest ściskana przez tłok i zapalana przez świecę zapłonową krótko przed górnym martwym punktem. W rezultacie powstałe ciśnienie spalania działa na denko tłoka i popycha go w dół. Siła, z jaką tłok jest odpychany jest przenoszona przez sworzeń tłokowy na korbowód, a stamtąd na czop korbowy wału korbowego. Zgodnie ze wzorem: siła = ciśnienie × powierzchnia siła tłoka rośnie razem z powierzchnią (większą średnicą cylindra) lub ciśnieniem (lepszym wypełnieniem). Siła ta powoduje wykorbienie wału korbowego. Odległość między czopem korbowym a czopem głównym to nic innego jak dźwignia opisana równaniem: siła × ramię dźwigni = moment. Ponieważ jest to ruch obrotowy, moment ten nazywany jest obrotowym. Moment obrotowy wykonujący obrót wału korbowego o dany kąt nazywa się pracą. Z przyczyn technicznych silnik benzynowy nie może generować momentu obrotowego ani wykonywać pracy zaraz po uruchomieniu – potrzebuje on do tego pewnej prędkości obrotowej. I tu do gry wkracza moc, czyli praca mechaniczna wykonywana w jednostce czasu. W przypadku silnika spalinowego czas jest determinowany przez liczbę obrotów wału korbowego na minutę. Aby generować moc, moment obrotowy musi być dostarczany wielokrotnie w krótkim przedziale czasu. Im więcej pracy wykonają tłoki w danym czasie, tym większą moc osiągnie silnik.

Wykresy

Do oceny silnika wykorzystuje się wykresy mocy i momentu obrotowego, tworzone na podstawie pomiarów przeprowadzanych w ściśle określonych warunkach (przy danym ciśnieniu powietrza, temperaturze, rodzaju paliwa, stanie obciążenia itp.) na stanowisku badawczym. Krzywe momentu i mocy zwykle wykazują mniej lub bardziej wyraźne wzrosty i spadki. Maksymalny moment obrotowy (najlepsze napełnienie cylindra) silnik powinien osiągać przy możliwie najmniejszej prędkości obrotowej i utrzymywać na stałym, wysokim poziomie w szerokim zakresie prędkości. Krzywe wydajności przeważnie rosną do maksimum równomiernie, a następnie ponownie opadają. Im bardziej moment obrotowy i maksymalna moc są od siebie oddalone w zakresie liczby obrotów, tym „elastyczniej” działa silnik. W praktyce krzywa momentu obrotowego opada po osiągnięciu maksymalnego momentu przy zwiększającej się liczbie obrotów, ponieważ pogarsza się napełnienie. Krzywa mocy natomiast nadal rośnie, ponieważ – choć teraz niższy – moment obrotowy na jednostkę czasu generowany jest częściej. W końcu jednak dalsze zwiększanie liczby obrotów nie może już kompensować strat wypełnienia, a krzywa mocy spada po osiągnięciu mocy maksymalnej.

Zamiana momentu obrotowego

Momentu obrotowego wytwarzanego przez silnik nie można w motocyklu wykorzystać bezpośrednio – poza kilkoma egzotycznymi rozwiązaniami. Dlatego jest on przenoszony przez sprzęgło do przemiennika momentu obrotowego, zwykle w postaci mechanicznej skrzyni biegów. Koła zębate w skrzyni to nic innego jak dźwignie o różnej długości, które dostosowują moment obrotowy silnika do sytuacji na drodze. Jako że motocykl wymaga wysokiej siły pociągowej na tylnym kole, gdy zaczyna się jazda na względnie niskich obrotach (w przeciwnym razie sprzęgło spaliłoby się po krótkim czasie), zapotrzebowanie na moc przesuwa się ze wzrostem prędkości – stąd też różne przełożenia. Zmianie momentu obrotowego towarzyszy zmiana liczby obrotów. Wykres siły pociągowej wyraźnie pokazuje, w jaki sposób krzywa momentu obrotowego na różnych biegach zostaje „skompresowana” i zwiększona kosztem liczby obrotów: zwiększenie wyjściowego momentu obrotowego przekładni zmniejsza wyjściową liczbę obrotów i na odwrót.

Opory jazdy

Motocykl wymaga siły napędowej lub siły pociągowej silnika do pokonania oporu jazdy i osiągnięcia wymaganej prędkości. W tym przypadku rozróżnia się opory jazdy występujące przy stałej i zmiennej prędkości, czyli na przykład podczas przyspieszania.

Opory podczas przyspieszania

Przy każdym przyspieszaniu lub zwalnianiu – oprócz innych sił oporu – występują dodatkowe siły bezwładności. Aby przyspieszyć całkowitą masę maszyny i kierowcy, wymagana jest pewna siła: siła = masa × przyspieszenie. Ponadto podczas przyspieszania ruch wszystkich obracających się części motocykla, takich jak wał korbowy, sprzęgło, wały napędowe i koła zębate, elementy przenoszące napęd miedzy skrzynią biegów a tylnym kołem i same koła musi ulec przyspieszeniu. Na przykład im większe i cięższe jest koło, tym większa musi być siła, która je przyspiesza. Kiedy nie ma przyspieszenia, czyli motocykl po prostu się toczy, opory dynamiczne nie są zauważalne. Ale wciąż występuje wystarczająco dużo innych oporów jazdy, które mogą przeciwdziałać ruchowi.

Opór ruchu na wzniesieniu

Opór ten rośnie wraz z nachyleniem drogi i ciężarem motocykla. Może to potwierdzić każdy, kto kiedykolwiek musiał wspinać się motocyklem pod górę. W rzeczywistości, gdy droga się wznosi, następuje rozkład sił: ciężar motocykla przekłada się na obciążenie koła, którym pojazd naciska na drogę, i siłę ściągającą po pochyłości działającą przeciwnie do kierunku jazdy. Przy nachyleniu równym 45° (o wartości 100%) teoretycznie osiąga się maksymalną zdolność pokonywania wzniesień – nie ze względu na moc silnika, ale z powodu tarcia statycznego. Pod tym kątem obciążenie koła i siła ściągająca po pochyłości są bowiem równej wielkości, a koło nie jest już wystarczająco mocno dociśnięte do podłoża, aby mogło przenosić siłę napędu lub hamowania. Przyjmując, że współczynnik tarcia opony wynosi 1, przy niższych współczynnikach tarcia (np. na mokrej nawierzchni) koło buksuje nawet na niższych wzniesieniach.

Opór toczenia

Opór toczenia pojazdu wytwarza opona – przez pracę odkształcenia ogumienia (zależną od rodzaju i ciśnienia w oponie), tarcie pomiędzy oponami i drogą (mieszanki gumowej i bieżnika) oraz opór powietrza obracającego się koła (zależny od kształtu, bieżnika i prędkości). Istotną rolę odgrywają tu także warunki na jezdni: odkształcenia (np. głęboki piasek lub błoto), nierówności, koleiny, wilgoć lub śnieg. Opór toczenia zależy więc od wielu czynników i zwiększa się przede wszystkim wraz ze wzrostem obciążenia koła: opór toczenia = obciążenie koła × współczynnik oporu. Współczynnik oporu toczenia f jest współczynnikiem bezwymiarowym – tym większym, im mniejszy jest promień koła i im bardziej zmienia się jego kształt. Zwiększa się wraz ze wzrostem obciążenia, prędkości i spadkiem ciśnienia w oponie. Oczywiście także toczący się dwukołowiec wykazuje opory toczenia wytwarzane przez łożyska kół, elementy przenoszące napęd miedzy skrzynią biegów a tylnym kołem, hamulce itp.

Opór powietrza

Opór ten stanowi największą przeszkodę w osiągnięciu dużych prędkości. Podczas podróży strumień powietrza uderza w pojazd na jego powierzchni czołowej i przepływa wokół niego. Strumień powietrza uderzający w powierzchnię czołową (A) pojazdu dwukołowego generuje przeciwciśnienie lub ciśnienie prędkości, które w dużej mierze zależy od przepływu lub prędkości jazdy. Jego wielkość wynika z zależności:

                                 gęstość powietrza × prędkość przepływu2
ciśnienie prędkości = ––––––––––––––––––––––––––––––
                                                             2

Niepozorny wykładnik 2 przy prędkości przepływu w powyższym wzorze ma istotne konsekwencje, ponieważ podnosi wpływ prędkości do kwadratu. Oznacza to, że podwojenie prędkości przepływu prowadzi do czterokrotnego wzrostu ciśnienia prędkości. To tłumaczy, dlaczego siedząc na motocyklu bez owiewek w pozycji pionowej, stosunkowo łatwo wytrzymać prędkość 80 km/h, podczas gdy przy prędkości 160 km/h trzeba mieć bardzo dobrze wyćwiczone mięśnie karku.

Granice aerodynamiki

Ciśnienie prędkości wpływa na motocykl oraz kierowcę i jest uwzględniane w obliczeniach oporu powietrza: opór powietrza = ciśnienie prędkości × powierzchnia czołowa × współczynnik oporu powietrza. Siła, która przeciwdziała pojazdowi dwukołowemu, zależy więc od tego, jak duża jest powierzchnia czołowa poddawana oddziaływaniu ciśnienia prędkości i jak łatwo powietrze może płynąć wokół jednośladu. W porównaniu z samochodami motocykle mają stosunkowo małą powierzchnię czołową. Niestety przewagę tę mocno ogranicza aerodynamika. Wyraża się ją współczynnikiem oporu cw i jest ona również wielkością bezwymiarową: im lepszy jest przepływ strumienia powietrza, tym mniejszy będzie współczynnik przepływu. W naturze ciałem najbardziej optymalnym pod względem opływowości jest kropla wody. Decydujące znaczenie ma tu ogólny kształt: zwrócony w kierunku ruchu okrągły koniec jest prawie doskonale opływowy, a spiczasty górny koniec zapewnia łączenie przepływu powietrza bez wirów. O ile przednie części motocykli mogą być stosunkowo aerodynamiczne, trudno jest odpowiednio wkomponować w nie kierowcę. W zależności od wielkości, pozycji i ubrania może on zaburzyć najbardziej wyrafinowany strumień powietrza. „Szarą strefą aerodynamiczną” jest nadal tył motocykla, chociaż w ostatnich latach poczyniono wiele zmian na lepsze: tłumiki zostały przesunięte z zewnętrznego konturu motocykla do góry i do tyłu i ostatecznie przeniosły się pod silniki lub wahacz (co jednak jest uzasadnione także rozkładem mas). Spód siedziska i wewnętrzny błotnik tylnego koła mają bardzo gładką powierzchnię, tylne panele są zwężone i pozbawione krawędzi. Mimo tych wysiłków motocyklom daleko jeszcze do optymalnej aerodynamiki. Do tego dochodzi fakt, że nie wszystko, co zwiększa estetykę, sprawdza się w praktyce. W żadnym wypadku nie należy ograniczać stabilności i prowadzenia pojazdu. Elementy poszycia o dużej powierzchni zwiększają wrażliwość na wiatr i utrudniają szybkie zmiany kierunku przy dużych prędkościach. Przednia część nie może się podnosić – w przeciwnym razie układ kierowniczy staje się „lekki” podczas szybszej jazdy. Przeszkodą dla aerodynamiki jest także silnik, który potrzebuje dopływu świeżego powietrza do spalania i chłodzenia. Ponadto jego ciepło musi być rozpraszane w sposób komfortowy dla kierowcy. To wszystko stanowi spore wyzwanie dla zespołu projektantów.

Całkowity opór jazdy

Wszystkie wymienione opory sumują się i tworzą całkowity opór ruchu, który musi zostać pokonany przez siłę pociągową silnika:

                 Fcałk= Fprzysp+ Fwzn+ Ftocz + Fpow

W porównaniu z oporem aerodynamicznym, podczas jazdy po płaskim terenie wpływ innych oporów jest niewielki, ale nie można go lekceważyć. Dopóki siła pociągowa wytwarzana przez silnik jest większa od oporów jazdy, motocykl może przyspieszać. Aby pokonać opór powietrza przy 300 km/h, motocykl bez aerodynamicznych osłon wymaga 172 kW/233 KM zgodnie z następującym wzorem:

                     opór jazdy lub siła pociągowa × prędkość
          Moc = ––––––––––––––––––––––––––––––––––
                                                 3600

A to oznacza, że jeśli je dobrze przeanalizować wiele „rekordów prędkości” należy włożyć między bajki.