Powiązanie prędkości i kierunku zderzenia motocykla z odkształceniami elementów zawieszenia przedniego motocykla.

Referat na Konferencję EVU Kraków 2007

Referat prezentuje podstawowe elementy i budowę zawieszenia przedniego w motocyklach, przykładowy łańcuch uszkodzeń, który może powstać przy typowym zderzeniu motocykla z samochodem. Przedstawiony materiał wskazuje na oś widelca jako główny element mogący wskazywać prędkość zderzeniową samochodu.

Poniżej przedstawiono możliwe przypadki mechanizmów zderzenia motocykla z przeszkodą:

1. Uderzenie w przeszkodę poruszającą się w kierunku przeciwnym.
2. Uderzenie w przeszkodę poruszającą się w tym samym kierunku (wolniej).
3. Uderzenie w nieruchomą przeszkodę
- pod kątem prostym,
- pod kątem innym niż kąt prosty,
4. Uderzenie w poruszającą się przeszkodę:
- pod kątem prostym,
- pod kątem innym niż kąt prosty

Ilość odkształceń powstających w wyniku przedstawionych powyżej sytuacji zderzeniowych z udziałem motocykla może być jeszcze pomnożona w zależnoci od kształtu przeszkody. Chodzi tu o zderzenie motocykla z samochodem osobowym o konkretnym kształcie nadwozia np.: klinowym, pontonowym lub wagonowym; z samochodem ciężarowym, lub uderzenie motocykla w bok lub tył przyczepy (naczepy). Mnogoć możliwoci wzajemnego usytuowania pojazdów w czasie zderzenia może powodować różne uszkodzenia zewnętrzne motocykla, ale w praktyce analiza odkształceń poszczególnych elementów widelca pozwala połączyć je w całoć. Poznanie odkształceń i ich lokalizacji pozwala na wyciągnięcie trafnych wniosków co do prędkoci i usytuowania motocykla w momencie zderzenia.

Rys nr 1: W niniejszym referacie omawiam tylko jeden przedstawionych wyżej przypadków zderzeń: ten, do którego dochodzi najczęciej. Przypadek ten przedstawia się następująco: drogą główną jedzie motocykl z pewną prędkocią, w tym samym czasie z drogi podporządkowanej wyjeżdża samochód osobowy i gdy jego kierowca rozpoznaje, że na drodze głównej jedzie motocykl, gwałtownie zatrzymuje samochód stając na torze ruchu jadącego motocykla. W takiej sytuacji dochodzi do uderzenia motocykla pod kątem prostym w nieruchomy samochód.

Zanim jednak przejdę do meritum niniejszego referatu konieczne jest przedstawienie kilku niezbędnych informacji o budowie i działaniu tychże włanie zespołów motocykla.

Rys nr 2: Definitionen und Grundgeometrien am Motoradfahrwerk.

Rys nr 3: Veränderung von Radstand und Nachlauf bei Bremsen des Fahrzeug.

Rys nr 4: Grundprinzip der Teleskopgabel

Rys nr 5: Schnittbild einer Teleskopgabel

Łańcuch mechanizmu odkształcania:

Pierwszym elementem, który kontaktuje się z przeszkodą (np. boczną cianą samochodu), jest ogumione koło motocykla. W zależnoci od kształtu opony i sztywnoci przedniej obręczy koła następuje większa lub mniejsza utrata energii zderzenia. Opona jako element elastyczny odkształca się bardzo głęboko i w zależnoci od kształtu ma mniejszy lub większy wpływ na pochłanianie energii zderzenia. Szczególnie małe zdolnoci absorbcji energii mają, coraz modniejsze, opony niskoprofilowe.

Fakt, że koło jest pierwszym elementem kontaktu, wtedy gdy motocykl ma największą energię kinetyczną (prędkoć), daje konstruktorom motocykli duże możliwoci utworzenia włanie w tym miejscu strefy okrelanej w technice samochodowej jako strefa zgniotu kontrolowanego. Okazuje się, że zalety sztywnoci koła przedniego najlepiej sprawdzają się w kołach szprychowych, gdzie zdolnoć przenoszenia obciążeń na całym obwodzie jest symetryczna. Najlepiej jako koło przednie w praktyce sprawdza się odpowiednio ukształtowana stalowa obręcz, która jest bardzo sprężysta, ale po przekroczeniu okrelonych nacisków ulega deformacji, a na szprychach następuje kontrolowane zerwanie gwintu. Z punktu widzenia bezpieczeństwa koła szprychowe są najbezpieczniejsze, ponieważ pochłaniają najskuteczniej energię zderzenia, jednak moda zdecydowanie wypiera ten rodzaj kół na korzyć obręczy aluminiowych. Obręcze aluminiowe ze względu na zastosowany materiał muszą być sztywne, a modne szerokie szprychy z innymi elementami ozdobnymi dają efekt bardzo niesymetrycznego przesztywnienia koła, co w efekcie końcowym daje małą absorbcję energii zderzenia.

Koło przednie motocykla, poza tym, że (jak opisano powyżej) absorbuje energię zderzenia, często uczestniczy w dalszym etapie zderzenia, bo po skrzywieniu rur amortyzatorów często zostaje „dobite” do elementów silnika lub ramy. Wtedy struktura koła ponownie bierze udział w procesie absorbowania energii. Często jest to proces bardzo krótki, zazwyczaj ostatnia chwila zderzenia, kiedy motocykl jest już w początkowej fazie „koziołkowania”.

Następnym elementem podatnym na odkształcenia zderzeniowe jest oka koła przedniego. Ze względów na większe zdolnoci do odkształcania (pochłaniania energii) u osi drążonych, są one bardzo często stosowane przez konstruktorów, co poza obniżeniem wagi daje duże możliwoci poprawy bezpieczeństwa biernego w motocyklu. Zastosowanie osi drążonej daje możliwoci wykorzystania wielu sprzyjających właciwoci wytrzymałociowych typowej rury, ale jednoczenie pozwala na dokładne „wyreżyserowanie” możliwoci odkształcenia się tego elementu w zaprogramowany sposób, który doskonale sprawdza się przy absorpcji energii zderzenia.

Przednie teleskopy, a dokładniej ich sprężyny, biorą udział od samego początku w procesie zderzenia, chyba, że kierowca wczeniej intensywnie hamował. Najczęciej od momentu pierwszego kontaktu opony z przeszkodą następuje uginanie sprężyn resorów przednich przy jednoczesnym odkształcaniu się wczeniej opisanych elementów. Przy dużych prędkociach zderzeniowych ciskanie sprężyn jest na tyle powolne (blokowane również przez amortyzatory hydrauliczne), że nie występuje tzw. „dobicie” i zgięcie rur widelca przedniego, które następuje często przed dojciem do końca skoku widelca.

Rys nr 6: Unfallphase (1)

Rys nr 7: Unfallphase (2)

Najłatwiej zauważyć w łańcuchu odkształceń zderzeniowych motocykla zgięcie rur amortyzatorów przednich. To uszkodzenie w praktyce jest najczęciej jedynym opisem uszkodzeń zamieszczonym w protokole oględzin po wypadku motocykla. Wielkoć skrzywienia rur amortyzatorów jest proporcjonalna do energii kinetycznej pojazdu (prędkoci) w chwili zderzenia i jest zależna od kilku uwarunkowań konstrukcyjnych motocykla:

- kąta główki ramy,
- rodzaju koła przedniego,
- rodzaju zawieszenia,
- sztywnoci sprężyn widelca przedniego,
- wysokoci położenia rodka ciężkoci.

Proces zginania rur amortyzatorów, w konsekwencji musi oddziaływać na miejsca w których są one osadzone, czyli na mostki widelca przedniego. Deformacja mostków występuje w obszarach osadzenia rur amortyzatorów w szczególnoci w pasowanych otworach osadczych. Najczęciej odkształca się dolna półka, ponieważ w tym miejscu znajduje się graniczna powierzchnia podparcia rury amortyzatora, stąd w niektórych motocyklach są one znacznie grubsze niż półki górne.

Następnym elementem w łańcuchu uszkodzeń elementów widelca przedniego jest o widelca. Element ten jest schowany głęboko we wnętrzu główki ramy i czasami trudno ją wymontować bez użycia przy tym specjalnych narzędzi. Dlatego zespół ten prawie zawsze jest pomijany przy powypadkowym opisie uszkodzeń motocykla O widelca jest tak skonstruowana, że z dolną półką połączona jest na wcisk, a trzon jest rurą o zmiennej rednicy, gdzie poza pasowanymi rednicami pod łożyska są specjalne miejsca przeznaczone do deformacji. O widelca jest ostatnim elementem w łańcuchu elementów łatwych do wymiany i dlatego jej rola jest z punktu widzenia konstrukcyjnego bardzo ważna, bo zabezpiecza główkę ramy przed odkształceniem się.

Rys nr 8: Steuerkopflenkung.

Rys nr 9: Steuerkopflenkung nach Unfall.

Dokonując oględzin uszkodzonego motocykla biegły najczęciej bierze pod uwagę uszkodzenia widoczne, a w szczególnoci zgięte rury amortyzatorów lub zdeformowaną obręcz koła przedniego.

Rys nr 10: Gabelstandrohr nach Unfall.

Rys nr 11: Lenkrohr nach Unfall.

Rzadko uwzględniane jest skrzywienie osi koła przedniego, a prawie nigdy – odkształcenie mostków i skrzywienie osi widelca.

Natomiast zgięcie ramy przy jej główce praktycznie występuje tylko przy uderzeniach motocykla w bok samochodu pod kątem innym niż zderzenie prostopadłe. Wynika to z założeń konstrukcyjno – projektowych: aby spełnić wymóg koniecznej sztywnoci ramy w czasie gwałtownego hamowania musi być zachowana bardzo duża sztywnoć główki ramy w osi podłużnej motocykla. W praktyce statyczny moment zginający działający na główkę ramy w czasie takiego włanie hamowania przy dużych prędkociach (i nierównej drodze) jest czasem równy wartoci momentu dynamicznego występującego w czasie czołowego prostopadłego uderzenia motocykla w bok stojącego samochodu.

Rys nr 12: Wohlerschaubild eines Doppelschleifen-Motorradrahmens.

PODSUMOWANIE

Jak przedstawiłem w referacie, odkształcenie elementów widelca motocyklowego w czasie wypadku ma przebieg łańcuchowy, ponieważ wiele elementów ulega uszkodzeniu, zgięciu lub zdeformowaniu. Każdy z tych elementów wykonany jest z innego materiału, a częci te i zespoły powiązane są ze sobą w różny sposób. Koło zamocowane jest obrotowo, rury amortyzatorów – suwliwie z tłumieniem hydraulicznym, a górne częci amortyzatorów – przylgowo do mostków widelca. Miarodajne wyznaczenie prędkoci na podstawie deformacji i odkształceń elementów widelca motocyklowego jest możliwe, ale powinno uwzględniać wszystkie opisane powyżej uszkodzone częci w powiązaniu z geometrią podwozia motocykla. Dotychczasowe badania wykazują z dużą powtarzalnocią, że najbardziej miarodajnym elementem ze zdeformowanego widelca przydatnym do wyznaczania prędkoci są odkształcenia osi widelca motocyklowego.