Nadszedł moment, w którym postanowiłem rozłożyć przedni amortyzator roweru trekkingowego na czynniki pierwsze. Jest to obecnie już nieprodukowany amortyzator firmy RST, model TR-FREE-TL. Średnica rury sterowej: 1''. Rozmiar koła rowerowego: 28''. Sposób amortyzacji: sprężyna oraz elastomer. Stery: skręcane.
Zapraszam do lektury!
Amortyzacja w rowerze pełni dwie zasadnicze funkcje: przechwytuje i rozprasza energię pochodzącą z niechcianych drgań mechanicznych oraz pozwala na zachowanie kontaktu koła z nawierzchnią, dzięki czemu zwiększa się stabilność jazdy. Amortyzator przedni w rowerze stanowi drugi stopień amortyzacji, po oponie. Odpowiednio napompowana opona potrafi 'wybierać' sporą część drgań powstających podczas jazdy. Kto w to nie wierzy, może się przejechać na samych obręczach, pozbawionych ogumienia. W czasach, gdy jeszcze nie opracowano skutecznej metody wykonania ogumienia, pojazdy jednośladowe nazywano 'kościotłukami' ze względu na to, że amortyzację drgań przejmował układ kostno-szkieletowy kierującego takim pojazdem.
Przedni widelec roweru składa się z:
- goleni, czyli rur, pomiędzy którymi mocowane jest koło,
- korony, czyli części łączącej ze sobą golenie nad kołem roweru; na środku korony znajduje się mocowanie rury sterowej,
- rury sterowej, czyli rury połączonej z koroną widelca; rura sterowa typowo jest niewidoczna, bo znajduje się wewnątrz rury tworzącej przednią część ramy; wewnątrz ramy rura sterowa jest połączona z rurą wspornika kierownicy, z którą łączona jest z kolei rura kierownicy.
Golenie wraz z koroną nazwałem widełkami. Widełki wraz z rurą sterową nazwałem widelcem. Przyjęło się traktować cały przedni widelec jako jeden komponent.
Niekiedy, w mowie potocznej, całość, czyli: kierownicę, wspornik kierownicy, rurę sterową, koronę i golenie wraz z przednim kołem nazywa się po prostu 'kierownicą'. Dopiero bowiem współpraca wszystkich wymienionych podzespołów pozwala na zmianę kierunku jazdy, czyli na skręcanie.
Z punktu widzenia tematu artykułu, czyli amortyzacji, można wyróżnić dwa rodzaje widelców:
- widelce nieamortyzowane,
- widelce amortyzowane.
Widelce nieamortyzowane do dzisiaj spotyka się wszędzie tam, gdzie przede wszystkim liczy się niewielka masa i sztywność, czyli np. w rowerach szosowych, rowerach przełajowych, w prostych rowerach 'ekonomicznych', w starszych rowerach miejskich. Znakomita większość współcześnie produkowanych rowerów jest wyposażona w widelce amortyzowane. W ogólności są one cięższe od widelców nieamortyzowanych. Składają się z większej liczby części, co sprzyja awaryjności. Wymagają zabiegów utrzymaniowych, takich jak np. okresowe czyszczenie goleni z zabrudzeń czy smarowania. W zamian oferują większy komfort podróży i większą stabilność.
Z punktu widzenia fizyki zachowania amortyzatora wyróżnić możemy trzy elementy: masę, sprężynę oraz tłumik. Dla przypomnienia masa jest miarą bezwładności; upraszczając i mniejsza będzie masa amortyzatora, tym lepiej. Elementy realizujące zachowanie sprężyny jest najłatwiej rozpoznać. Dla przypomnienia sprężyna posiada zdolność gromadzenia energii mechanicznej i po jej zgromadzeniu dąży do stanu równowagi. Tłumik służy do rozpraszania energii mechanicznej, czyli zamiany energii mechanicznej na ciepło.
Wracając do przedstawionego w artykule amortyzatora, jest to jeden z najprostszych modeli. Maksymalny skok amortyzatora, czyli maksymalne ugięcie, które może powstać w wyniku napotkania nierówności, to około 4 cm. Regulacja napięcia wstępnego sprężyny, czyli regulacja skoku, to niestety zaledwie około 2 cm. Drgania powstające w wyniku oddziaływania amortyzatora z otoczeniem są rozpraszane dzięki tarciu zewnętrznej i wewnętrznej części amortyzatora (tarcie cierne). Tym samym nie ma wydzielonych części pełniących rolę tłumika. Omawiany amortyzator jest wyposażony w sprężyny. Jak miałem okazję sam się przekonać pierwsza z nich to klasyczna sprężyna wykonana z metalu, a druga to elastomer, czyli sztuczne tworzywo o właściwościach sprężyny, w dotyku trochę przypominające gąbkę.
Na rynku można spotkać amortyzatory znacznie bardziej zaawansowane, w których funkcje sprężyny spełnia powietrze (sprężane powietrze zachowuje się podobnie do klasycznej sprężyny spiralnej, stara się rozprężyć). Rolę tłumika przejmują specjalnie ukształtowane i połączone ze sobą komory wypełnione najczęściej olejem. Także umiejscowienie elementów amortyzatora bywa różne. Najczęściej sprężyny są umiejscowione w rurach goleni, ale spotyka się także pojedynczą sprężynę w rurze sterowej, czy też tylko jeden goleń.
Spróbuję opisać, jak powinien zachowywać się idealny amortyzator. Oczekujemy od niego, że będzie likwidował (wybierał) wszelkie nierówności. Najpierw rozważę 'dziurę', czyli nierówność wklęsłą. W chwili, gdy przednie koło wjeżdża w taką nierówność, amortyzator powinien się wydłużyć tak, by przednie koło nie straciło kontaktu z nawierzchnią. Przy wyjeżdżaniu z nierówności wklęsłej amortyzator powinien się skrócić, znowu tak, by zniwelować wpływ nierówności. W przypadku drugiego typu nierówności, 'garbu', czyli nierówności wypukłej, powinien zachować się analogicznie: w chwili najeżdżania na garb amortyzator powinien się skracać (kumulować energię), by po chwili, przy zjeżdżaniu z garbu, oddawać ją z powrotem, wydłużając się. Idealny amortyzator już podczas jazdy po równej nawierzchni powinien być wstępnie ugięty w taki sposób, by w razie napotkania nierówności mógł zarówno się wydłużyć, jak i skrócić. Idealny amortyzator powinien ponadto reagować zarówno na bardzo gwałtowne skoki nierówności, np. krawężnik, jak i na stosunkowo wolne zmiany, np. długi garb. Niestety idealne amortyzatory nie istnieją...
Praktycznie spotykane realizacje amortyzatorów w najlepszym wypadku dają się dopasować do masy rowerzysty i roweru, w pewnym stopniu ustawić napięcie wstępne sprężyny czy też tłumienie. W efekcie amortyzator będzie się sprawdzał tylko w określonych warunkach. Amortyzator przedni w pewnym stopniu kumuluje energię rowerzysty wkładaną w ruch pojazdu. W efekcie dużą popularnością cieszą się amortyzatory, w których można czasowo zablokować względny ruch elementów amortyzatora, tym samym go usztywniając. Jest to szczególnie przydatne podczas podjazdów, gdy każdy dżul energii włożony w napięcie sprężyny to dżul stracony.
Postanowiłem rozebrać amortyzator po tym, jak udało mi się usunać z rury sterowej pozostałości wspornika kierownicy, który na skutek nieprawidłowego doboru materiałów trwale zespolił się z rurą sterową. Dopiero tokarka pozwoliła na usunięcie resztek rury wspornika z wnętrza rury sterowej amortyzatora. Wykonanie tych zabiegów wymagało rozebrania amortyzatora na części. Przy tej okazji postanowiłem przyjrzeć się wszystkim jego szczegółom.
 |
Na zdjęciu na pierwszym planie znajduje się rura sterowa oddzielona od reszty amortyzatora, czyli od widełek. Rura sterowa ma średnicę zewnętrzną dokładnie 1''. Znacznie częściej spotyka się dzisiaj średnicę 1 1/8 ''. Rura jest przystosowana do współpracy ze sterami (układem łożyskowania kierownicy i widełek) starego typu, tak zwanymi sterami skręcanymi. Z tego powodu górna część rury sterowej (na sąsiednim zdjęciu widoczna po prawej stronie) jest gwintowana. Dolna część rury sterowej (na sąsiednim zdjęciu widoczna po lewej stronie) jest tak wyprofilowana, by pasować do otworu w koronie widelca, czyli tej części widelca, która łączy ze sobą oba golenie. Goleniami nazywam równoległe rury, do których mocowane jest koło roweru. Dolna część rury sterowej jest nieco grubsza i kończy się kołnierzem (wystającym brzegiem), który pozwala na wygodne osadzenie rury sterowej w koronie widelca. Gdyby na rurze sterowej nie było wspomnianego kołnierza, trudniej byłoby dobrać odpowiednią długość połączenia pomiędzy rurą i koroną. Na drugim planie znalazły się widełki. Jak widać golenie widełek amortyzowanych typowo połączone są w dwóch miejscach: w koronie oraz dodatkowo nieco powyżej piwotów (miejsc mocowania szczęk hamulca szczękowego), połączeniem w kształcie łuku. Na zdjęciu widoczne są elementy regulacyjne amortyzatora. W przypadku pokazanego modelu możliwa jest regulacja skoku sprężyn ±2 cm. Regulacji dokonuje się poprzez obracanie widocznymi na zdjęciu szarymi pokrętłami. Skok każdej ze sprężyn obu goleni regulowany jest osobnym pokrętłem. |
 |
Zbliżenie na koronę. Widoczny sposób osadzenia rury sterowej w koronie. W widelcach nieamortyzowanych najczęściej nie ma w ogóle możliwości rozdzielenia rury sterowej od korony, gdyż te elementy są ze sobą zespawane. W przypadku amortyzatora przedstawionego na zdjęciu rura sterowa jest łączona z koroną za pomocą dwóch śrub imbusowych. Podobnie także golenie są połączone z koroną za pomocą pary śrub imbusowych. |
 |
Wykręcenie śrub nie było trudne. Gwint śrub został powleczony środkiem chemicznym, który w zamierzeniu zapobiega przypadkowemu poluzowaniu połączenia gwintowanego na skutek drgań. Uwaga! Rozkręcanie połączeń pomiędzy koroną a rurą sterową, czy też koroną a rurami goleni, nie jest zalecane. Często producenci amortyzatorów wręcz zakazują użytkownikom wykonywania tych czynności pod groźbą utraty gwarancji. Śruby powinny być bowiem odpowiednio zabezpieczone przed odkręceniem (właściwy moment obrotowy, środki chemiczne zapobiegające odkręceniu). |
 |
Rzut oka z góry. W otworze korony, w którym jest osadzana rura sterowa, znajdowała się tuleja. Prawdopodobnie producent przewidział wykorzystanie tych samych widełek z rurą sterową o innej średnicy, np. 1 1/8 '', stąd też tuleja redukująca średnicę otworu z 1 1/8'' do średnicy 1''. |
 |
Korona widelca: otwór, w którym osadzana jest rura sterowa, po usunięciu tulei dystansowej. |
 |
Rzut oka na golenie. Na końcach rur goleni, mniej więcej w środku przekroju tych rur, widoczne są dwie kolejne śruby imbusowe. Ich odkręcenie pozwala na ściągnięcie obudowy goleni (pomalowanej na szaro) z części wewnętrznej (na razie niewidocznej). |
 |
Po wykręceniu wspomnianych śrub. Producenci amortyzatorów dla odmiany pozwalają na odręcanie tych śrub, bowiem ich odkręcenie jest konieczne do prawidłowego wykonania zabiegów utrzymaniowych na rurach goleni. Jak widać fragmenty obudowy obu goleni nie są identyczne. Jeden z goleni ma stosowne wypusty, które pozwalają na zamontowanie m.in. szczęk hamulca tarczowego. |
 |
Jeszcze jedno ujęcie od dołu obudowy goleni. Widoczne otwory, w które wkręcane są śruby mocujące zewnętrzne rury goleni do wewnętrznej, na razie niewidocznej części amortyzatora. Golenie zostały tak zaprojektowane, by śruby były chronione przed zabrudzeniami. |
 |
Rozdzielam obie części widełek: zewnętrzną (pomalowaną na szaro) i wewnętrzną (jeszcze na razie niewidoczną). Jedną dłonią pociągnąłem za koronę (co jest widoczne na sąsiednim zdjęciu), a drugą przytrzymałem za łuk łączący obie rury goleni (co nie jest widoczne na sąsiednim zdjęciu). Typowo do wykonania zabiegów utrzymaniowych wystarczy wykręcić wspomniane wyżej dwie śruby i rozdzielić w opisany powyżej sposób obie części widełek. Następnie należy suchą szmatką oczyścić rury obu goleni. |
 |
Na rurach goleni opisywanego amortyzatora zostały nałożone gumowe uszczelki kształtem nieco przypominające harmonijki. Z założenia miały one chronić rury goleni przed zabrudzeniami. Z tego, co zauważyłem, w późniejszych konstrukcjach zrezygnowano z takiej formy zabezpieczenia, prawdopodobnie uznając ją za nieskuteczną. W przypadku, gdy rury są nieosłonięte dodatkową uszczelką brud co prawda swobodnie osadza się na rurach goleni, ale za to jest dobrze widoczny i łatwy do usunięcia. W przypadku zastosowania opisywanych uszczelek brud trudniej dostaje się pomiędzy uszczelkę a rurę golenia, ale skuteczne oczyszczenie wymaga rozebrania amortyzatora, co bywa czasochłonne i wymaga posiadania odpowiednich narzędzi. |
 |
Zbliżenie na miejsce styku pomiędzy obudową zewnętrzną a rurą golenia. W tym miejscu znajduje się gumowa uszczelka. Z jednej strony uszczelka powinna nie przepuszczać zabrudzeń, by nie dostały się do wnętrza obudowy golenia, ale z drugiej strony nie powinna hamować ruchu zewnętrznej części golenia (obudowy) względem części wewnętrznej. Kompromis jest trudny do osiągnięcia. Sprzyja mu zastosowanie stosownego smaru, który powinien nie tylko minimalizować tarcie, ale także uszczelniać połączenie pomiędzy częściami ruchomymi. W ramach przeglądu należy uważnie sprawdzić, czy powierzchnia uszczelek nie została w jakiś sposób uszkodzona (pęknięcia, głębokie zarysowania, wgniecenia). |
 |
Dolna część goleni po zdjęciu obudowy. Jak widać z górnych rur wychodzą cienkie pręty. Są one zakończone współosiowymi gwintowanymi otworami. To w te otwory wkręcane są śruby imbusowe mocujące obudowę goleni. Długość tych prętów wskazuje na maksymalne ugięcie amortyzatora. Na pręty nałożone są współosiowo białe i czarne elementy. Czarne, w kształcie ściętych stożków, są wykonane z gumy. Stanowią dodatkowe zabezpieczenie przed 'dobiciem', czyli maksymalnym ściśnięciem amortyzatora. Pełnią rolę sprężyn. Białe elementy wykonane są z twardego (nieściśliwego) tworzywa sztucznego i pełnią rolę dystansów. |
|
Do rozebrania pozostała górna część goleni, w której znajdują się m.in. elementy regulujące wielkość skoku. Wystarczy odkręcić duże, czarne, plastikowe nakrętki. Zadanie powinno dać się zrealizować za pomocą dużego klucza nasadowego. Ja posłużyłem się kluczem francuskim. Wykonanie nakrętki z plastiku sugeruje, że do jej odkręcenia nie powinien być potrzebny duży moment obrotowy. Prawdopodobnie w niektórych przypadkach powinna wystarczyć dłoń, ale moje nakrętki najwyraźniej były dobrze dokręcone. |
 |
Na zdjęciu obok widoczny jest wewnętrzny układ amortyzatora oraz, na drugim planie, widełki. Kolejno, od lewej, na pierwszym planie:
|
 |
Chyba najciekawszy jest układ regulacji napięcia wstępnego sprężyny, elastomer oraz sprężyna. Te trzy elementy są ze sobą do pewnego stopnia połączone. |
 |
Układ regulacji napięcia wstępnego sprężyny ma wypustkę pasującą do otworu w elastomerze. Także sprężyna jest zakończona niewielką wypustką, która pasuje do otworu w elastomerze. Dzięki temu poszczególne elementy nie przesuwają się względem siebie. Z punktu widzenia fizyki zarówno sprężyna jak i elastomer pełnią rolę sprężyn. Zastosowanie tych dwóch form sprężyn w tym samym miejscu, tuż obok siebie, potrafię sobie uzasadnić różnymi częstotliwościami drgań, które są rozpraszane przez obie sprężyny. Prawdopodobnie elastomer służy do rozpraszania drgań o dużych częstotliwościach i niewielkich amplitudach, np. takich, jakie powstają podczas jazdy po kocich łbach, natomiast sprężyna służy do rozpraszania drgań o małych częstotliwościach, ale dużych amplitudach, np. takich, które powstają podczas podjeżdżania pod krawężnik. Intuicyjnie wyczuwam, że elastomer ugina się nieznacznie, natomiast bardzo szybko odzyskuje pierwotny kształt. Sprężyna natomiast jest w stanie uginać się znacznie bardziej, ale zajmuje jej to więcej czasu, dłużej wraca do stanu równowagi. Cała sztuka polega na takim dobraniu materiałów obu sprężyn, by tak powstały układ sprawdzał się tak dla niewielkich, ale szybkich zmian położenia koła względem amortyzatora, jak i dla dużych, ale wolniejszych. Oczywiście zbudowanie takiego układu, który działa 'zawsze' i do tego niezależnie od masy zawodnika dosiadającego rower, jest zadaniem trudnym. Z tego m.in. powodu amortyzatory rowerowe często są dość skomplikowane. Z punktu widzenia fizyki wykorzystują nie tylko sprężyny, ale także tłumiki. A całość musi być jeszcze w miarę lekka... |
 |
Uważna obserwacja sprężyny ujawnia, że w jej wnętrzu znajduje się pozornie tajemniczy pręt. Jest to zabezpieczenie sprężyny przed zgnieceniem, które mogłoby doprowadzić do nieodwracalnej zmiany jej charakterystyki. Każda rzeczywista sprężyna, czyli sprężyna nieidealna, zachowuje właściwości sprężyste tylko w pewnym, dość niewielkim zakresie długości. Po przekroczeniu krytycznej dla danej sprężyny długości sprężyna trwale się odkształci i już nie powróci do swojego pierwotnego kształtu. Jak widać na sąsiednim zdjęciu ta przykładowa sprężyna zachowuje swoje właściwości sprężyste zaledwie na długości kilku centymetrów. |
 |
Kolejne zbliżenie dotyczy układu regulacji napięcia wstępnego sprężyny. Szare pokrętło służy do regulacji znajdującego się wewnątrz walca, który odpowiednio do kierunku obrotów szarej nakrętki wysuwa się, lub chowa. Elastomer nie daje się specjalnie ścieśniać, tak więc wysuwanie lub chowanie się plastikowego tłoka oddziałuje bezpośrednio na sprężynę bardziej lub mniej zwiększając jej napięcie wstępne (statyczne), czyli napięcie sprężyny jeszcze bez wpływu sił zewnętrznych. Prawdę mówiąc nie przypominam sobie, bym wyczuł kiedyś różnicę pomiędzy obydwoma skrajnymi punktami regulacji. |
 |
Na sąsiednim zdjęciu pierwsze skrajne położenie - największe możliwe do ustawienia napięcie wstępne. |
 |
Drugie skrajne położenie - najmniejsze możliwe do ustawienia napięcie wstępne. |
 |
Dolną część układu amortyzującego stanowi tłok. Tłok składa się z tłoczyska, tłoka i cylindra. Tłoczyskiem jest widoczna na sąsiednim zdjęciu po lewej stronie szersza, okrągła cześć metalowego pręta (tłoka). W dolnej części tłoka znajduje się jak gdyby drugie tłoczysko w postaci niewielkiego metalowego walca oraz niewielka, krótka sprężyna. Prawdopodobnie te dwa elementy służą do usztywnienia ruchu tłoka względem cylindra. Cylindrem jest oczywiście rura golenia. Tłok jest skręcony z obudową goleni wspomnianymi we wcześniejszej części artykułu śrubami. Uważny czytelnik zwróci pewnie uwagę na inną kolejność elementów znajdujących się na końcu tłoka - białego dystansu i czarnej sprężyny, niż omówiona we wcześniejszej części artykułu. Taką kolejność tych elementów zauważyłem bezpośrednio po rozebraniu amortyzatora. Uznałem jednak, że osoba, która poprzednio dokonywała jego przeglądu, pomyliła się. Moim zdaniem czarna gumowa sprężyna w kształcie ściętego stożka powinna pasować do zwężającej się w dolnej części obudowy golenia, natomiast biały element dystansowy powinien być położony zaraz za nią. |
 |
Na zakończenie przypomnienie zasad utrzymania. Przede wszystkim należy zadbać o to, by powierzchnia goleni była gładka, wolna od brudu. Należy też dążyć do tego, by golenie mogły swobodnie przesuwać się względem obudowy. Jednym ze środków, który powinien to ułatwić, jest zastosowanie odpowiedniego smaru. Ja dawno temu kupiłem smar o wdzięcznej nazwie własnej 'masełko Judy'. Specyfik ten dzisiaj (2013) już chyba nawet nie jest nieprodukowany. Drugim fragmentem amortyzatora, który powinien być poddawany konserwacji, są uszczelki pomiędzy obudową goleni a wewnętrznym tłokiem. Należy od czasu do czasu sprawdzać, czy uszczelki się nie przecierają i w razie dostrzeżenia oznak zużycia po prostu je wymienić. |
Podsumowując opisany w artykule amortyzator ma stosunkowo prostą konstrukcję. Starałem się pokazać, że nawet prosty amortyzator składa się z wielu części. Na zakończenie kilka informacji dotyczących masy poszczególnych elementów amortyzatora:
- obudowa goleni, czyli zewnętrzne rury widełek (pomalowane na szaro) ważą 622 g,
- korona wraz z goleniami to 979 g,
- masy rury sterowej niestety nie zanotowałem, ale zakładam, że to kolejne 250 - 300 g.
Łącznie daje to masę widelca 1 850 g - 1 900 g. Przypuszczalnie widelec nieamortyzowany o podobnym przeznaczeniu ważyłby mniej więcej 60% tej wartości, czyli jakieś 1 110 g - 1 140 g.
mam takie pytanie. Interesuje mnie to bardzo. Oglądałem urywki transmisji z wyścigu "Tour de Pologne" i zaciekawiło mnie to w jaki sposób i co powoduje, że zawodnicy pokonują ostre zakręty z prędkością ok 65 km/h. Samochody z obsługi musiały trochę hamować a zawodnicy nie. Koła rowerów są na wąziutkich szytkach bez amortyzacji a rowery w przeciwieństwie do samochodów są jednośladami więc nie są tak stabilne jak dwuślady i dają sobie lepiej radę. Z tego co się doczytałem to chyba chodzi włąsnie o budowę szytek, ale czy tak jest w istocie?
Kanał RSS z komentarzami do tego postu.