Fakulta strojní
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
2013 Radek Šťastný
F AKULTA STROJNÍ
Katedra vozidel a motorů
Obor: B2341 – Strojírenství
Zaměření: 2301R022 – Dopravní stroje a zařízení
KONSTRUKCE SPORTOVNÍ TERÉNNÍ ČŤYŘKOLKY
PRO VÝCHOVU MLÁDEŽE
THE CONSTRUCTION OF OFF-ROAD SPORTS YOUTH FOUR-WHEELER
Bakalářská práce KVM – BP – 183 Radek Šťastný
Vedoucí bakalářské práce: doc. Dr. Ing. Elias Tomeh
Konzultant bakalářské práce: Roma Kalvoda, RSK Trade, s.r.o.
Počet stran : 63 Počet obrázků: 53 Počet příloh: 01 Počet výkresů: 30
Leden 2013
Fakulta strojní
_____________________________________________________________________________________
Katedra vozidel a motorů Studijní rok: 2012/2013
ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE
Jméno a příjmení Radek Š Ť A S T N Ý Obor B2341 - Strojírenství
Zaměření 2301R022 - Stroje a zařízení Dopravní stroje a zařízení
Ve smyslu zákona č. 111/1998 Sb. o vysokých školách se Vám určuje bakalářská práce na téma:
KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ SPORTOVNÍ TERÉNNÍ ČTYŘKOLKY PRO VÝCHOVU MLÁDEŽE
Zásady pro vypracování:
(uveďte hlavní cíle bakalářské práce a doporučené metody pro vypracování)
Studijní, konstrukční a výpočtové práce zaměřené na konstrukční návrh sportovní terénní čtyřkolky pro výchovu mládeže.
1) Popište současný stav trhu sportovních terénních čtyřkolek pro výchovu mládeže.
Uveďte všechny požadavky kladené na ně kladené a popište jejich základní technické parametry. Porovnejte řešení, zhodnoťte klady a zápory.
2) Zpracujte konstrukční návrh zavěšení kol přední nápravy a analyzujte geometrii pracovního zdvihu kol.
3) Vytvořte konstrukční návrh zástavby včetně výkresové dokumentace.
4) Během řešení bakalářské práce spolupracujte s firmou RSK Trade.
Průvodní zpráva - v rozsahu cca 40 stran textu, vč. příloh.
Text celé bakalářské práce včetně příloh bude v elektronické formě přiložen na CD nosiči k tištěnému svazku originálu bakalářské práce.
K tištěným svazkům originálu bakalářské práce bude přiložena výkresová dokumentace.
Seznam literatury (uveďte doporučenou odbornou literaturu):
[1] Podklady firmy RSK Trade, s.r.o.
[2] Pešík, L.: Části strojů I.II. TU v Liberci 2008
[3] Strojnické tabulky Leinveber J., Řasa J., Vávra P.. Vydala Scientia spol. s r.o. 2000 [4] Časopisy, katalogy a internet
[5] Vlk, F.: Podvozky motorových vozidel. Nakladatelství a vydavatelství Vlk Brno 2006 [6] Brebera, P.: Konstrukční řešení zavěšení předních kol a zadní kyvné vidlice sportovní
čtyřkolky, DP, TUL, Liberec 2004.
Vedoucí bakalářské práce: doc. Dr. Ing. Elias Tomeh - KVM - TUL
Konzultant bakalářské práce: Roma Kalvoda, firma RSK Trade, s.r.o.
L.S.
Ing. Robert Voženílek, Ph.D. doc. Ing. Miroslav Malý, CSc.
vedoucí katedry děkan
V Liberci dne 1. 11. 2012
___________________________________________________________________________
Platnost zadání bakalářské práce je 15 měsíců od výše uvedeného data (v uvedené lhůtě je třeba podat přihlášku ke SZZ). Termíny odevzdání bakalářské práce jsou určeny pro každý studijní rok a jsou uvedeny v harmonogramu výuky.
Radek Šťastný - 4 - FS TUL Katedra vozidel a motorů
KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ SPORTOVNÍ TERÉNNÍ ČTYŘKOLKY
PRO VÝCHOVU MLÁDEŽE
Anotace
Bakalářská práce se zabývá konstrukčním návrhem předního zavěšení kol u sportovní terénní čtyřkolky pro výchovu mládeže. Pro přední řízená kola je kladen důraz na jejich snadné a lehké ovládání, analyzována je geometrie pracovního zdvihu kol.
Annotation
Thesis deals with the structural design of the front suspension for off-road sports youth four- wheeler. The emphasis is on the easy light control of the front steering wheels. The geometry of the wheels working stroke is analyzed.
Prohlášení k využívání výsledků bakalářské práce
Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb. o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.
Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé bakalářské práce pro vnitřní potřebu TUL.
Užiji-li bakalářskou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.
Bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně, s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím bakalářské práce a konzultantem.
V Loučeni, dne 2.1.2013 ………..
Radek Šťastný
Radek Šťastný - 6 - FS TUL Katedra vozidel a motorů
Poděkování
Rád bych poděkoval vedoucímu bakalářské práce doc. Dr. Ing. Eliasu Tomehovi, konzultantovi Romanu Kalvodovi a všem dalším zaměstnancům Katedry vozidel a motorů FS TUL za odborné vedení, pomoc a cenné rady při vypracování bakalářské práce.
Zároveň děkuji paní Ing. Janě Najmanové za ochotu a odborné rady v průběhu celého mého studia.
V neposlední řadě bych rád poděkoval i celé své rodině, za trpělivost, pochopení a podporu v průběhu celého mého studia.
Obsah
Seznam použitých zkratek a symbolů 9
Úvod 11
1 Současnost terénních čtyřkolek 13
1.1 Základní popis čtyřkolky 13
1.2 Popis současného stavu na trhu terénních juniorských čtyřkolek 14
1.3 Výrobci 14
1.3.1 Výrobce Access Motor 14
1.3.2 Výrobce Pitster Pro 15
1.3.3 Výrobce Yamaha 17
1.3.4 Další výrobci juniorských čtyřkolek 18
1.4 Porovnání řešení 19
1.5 Požadavky kladené na sportovní terénní čtyřkolku 22
1.5.1 Velikost čtyřkolky 22
1.5.2 Bezpečnost čtyřkolky 23
1.5.3 Hygienické normy 24
2 Konstrukční návrh zavěšení kol přední nápravy 28
2.1 Volba řešení konstrukce a vybavení 28 2.2 Zatěžující stavy při jízdě čtyřkolkou 29 2.3 Výpočet vybraných parametrů geometrie hmot čtyřkolky 30 2.4 Výpočet sil při brzdění 33 2.5 Rovnováha celku při průjezdu zatáčkou na hranici překlápění 35 2.6 Výpočet sil při dopadu čtyřkolky 36
2.7 Výsledné zatěžující síly na předním kole čtyřkolky 39 2.8 Výpočet sil u čtyřkloubového mechanizmu závěsu kola 41
2.9 Výpočet otočného a rejdového čepu 43
Radek Šťastný - 8 - FS TUL Katedra vozidel a motorů
2.10 Výpočet horního ramene lichoběžníkové nápravy 45 2.11 Výpočet dolního ramene lichoběžníkové nápravy 46 2.12 Výpočet ložisek v předním kole čtyřkolky 49 3 Konstrukce zavěšení kol přední nápravy 52
3.1 Geometrie předních kol čtyřkolky 54
4 Závěr 60
Seznam použité literatury 62
Seznam výkresů předního závěsu kola 63
Seznam použitých zkratek a symbolů
a [m.s-2] zrychlení v [m.s-1] rychlost
g [m.s-2] gravitační zrychlení m [kg] hmotnost
μ [l] součinitel tření
t [s] čas
l, y, x, e [mm] délka
FBP [N] brzdná síla na přední kola FBZ [N] brzdná síla na zadní kola
Dx [N] d‘Alembertova setrvačná síla při brzdění MDZ [Nm] moment setrvačnosti zadních kol
MDP [Nm] moment setrvačnosti předních kol NZ [N] normálová síla zadních kol při brzdění NP [N] normálová síla předních kol při brzdění Fo [N] odstředivá síla při průjezdu zatáčkou
MD [Nm] d’Alembertův moment setrvačnosti čtyřkolky při překlápění FT [N] tečná síla při překlápění čtyřkolky
NL [N] normálová síla při překlápění čtyřkolky α [rad.s-2] úhlové zrychlení
ω [rad.s-1] úhlová rychlost
D1X [N] d´Alembertova síla při dopadu v ose x D1Y [N] d‘Alembertova síla při dopadu v ose y FPZ [N] síla v pružící a tlumící jednotce zadních kol FPP [N] síla v pružící a tlumící jednotce předních kol RPX [N] reakce v předních kolech při dopadu
RZX [N] reakce v zadních kolech při dopadu Mh [Nm] hnací moment
T2 [N] tečná síla v zadních kolech při dopadu N2 [N] normálová síla v zadních kolech při dopadu T 3 [N] tečná síla v předních kolech při dopadu N 3 [N] normálová síla v předních kolech při dopadu FBPL [N] tečná síla předního kola při brzdění
NPL [N] normálová síla předního kola při brzdění FPT [N] axiální síla předního kola
RBPL [N] radiální síla předního kola při brzdění TL3 [N] tečná síla předního kola při dopadu
Radek Šťastný - 10 - FS TUL Katedra vozidel a motorů
NL3 [N] normálová síla předního kola při dopadu RL3 [N] radiální síla předního kola při dopadu F [N] výsledná síla na přední kolo
R34 [N] reakce v mechanizmu závěsu kola R24 [N] reakce v mechanizmu závěsu kola R31 [N] reakce v mechanizmu závěsu kola
FP [N] maximální síla v pružící a tlumící jednotce předního kola σt [MPa] normálové napětí v tahu, tlaku
σo [MPa] normálové napětí v ohybu σDov [MPa] dovolené normálové napětí d [mm] průměr otočného čepu N [N] vnitřní normálová síla T [N] vnitřní tečná síla
M [N*mm] vnitřní ohybový moment Wo [mm3] průřezový modul v ohybu A [mm2] plošný obsah
L [hod] základní trvanlivost ložisek
C [N] základní dynamická únosnost ložiska P [N] ekvivalentní dynamické zatížení ložiska γ [o] odklon kola
σ [o] příklon rejdové osy ro [mm] poloměr rejdu τ [o] záklon rejdové osy nK [mm] závlek kola
Úvod
Koncem devatenáctého století se objevily první spalovací motory a následně pak první motorová vozidla (tříkolka Gotlieba Daimlera). Bylo zřejmé, že spalovací motor má velkou budoucnost v dopravě osob i nákladů. Bouřlivý rozvoj nového odvětví dal vzniknout mnoha výrobcům motorových vozidel, především ve Velké Británii, Francii a Německu. Také v tehdejším Rakousku - Uhersku vznikala řada takových firem, jako Puch, Austro Daimler, Laurin & Klement, Nesseldorfen Wagonen fabrik (později Tatra). Zvyšování výkonů a užitné hodnoty vozidla bylo nutnou snahou každého výrobce. K demonstraci kvality pořádali výrobci různé dálkové propagační jízdy a sportovní soutěže – motocyklové a automobilové závody. Závodní tratě byly od počátku považovány za nejlepší prověrku výkonu a spolehlivosti a za výbornou reklamu. To platí i dnes, po více než 100 letech. Nejbouřlivější rozvoj v oblasti vývoje a výroby automobilů a motocyklů nastal po první světové válce.
Téměř bez práce zůstala řada zbrojovek, tj. podniků s kvalitním strojním vybavením a kvalifikovanou pracovní silou. Pro ně se výroba vozidel stala lákavým výrobním programem. Stejná situace byla i v nově vzniklém Československu. Jawa a ČZ byly původně také zbrojovky. Jawa měla dokonce v původním logu firmy zakomponován ruční granát.
Objem výroby motorových vozidel rychle rostl. Pro některé majetnější a sportumilovné zákazníky se motocykly a automobily staly sportovním nářadím. Továrny, vedle standardních výrobků, začaly nabízet sportovní modely s vyššími výkony a lepšími jízdními vlastnostmi.
Vznikla řada nových sportovních odvětví. Motoristický sport se postupně začal ze zpevněných cest dostávat i do terénu, po motocyklových následovaly i autokrosové závody. Dnešní stroje pro tyto závody jsou již speciálně vyráběná vozidla v malých sériích.
Věnuje se jim celá řada malých výrobců. V posledních letech zaznamenal velký rozmach nový fenomén – čtyřkolky.
Čtyřkolka je menší terénní motorové vozidlo primárně určené pro pohyb v těžko dostupném terénu. Díky své nízké hmotnosti a rozměrům zajišťuje větší průchodnost terénem než terénní automobil a v porovnání s motocyklem je velmi snadno ovladatelná. Čtyřkolky se podle své konstrukce a technického vybavení dělí na užitkové (ATV – All Terain Vehicle), sportovní (Quad) a čtyřkolky pro volný čas.
Užitkové čtyřkolky ATV jsou primárně konstruovány k těžké práci v lese a na polích, jsou tedy mnohem robustnější a těžší. Většinou mají variátor a náhon na všechna čtyři kola (4×4) poháněná kardanem. Vpředu i vzadu mají nosiče zavazadel. Tyto čtyřkolky mohou mít tažné zařízení, dají se k nim připojit radlice, pluhy, sekačky, sněžné frézy, navijáky a další zařízení.
Sportovní čtyřkolky Quad mají maximálně odlehčenou konstrukci. Jsou převážně určeny pro sportovní použití, a proto s těmito čtyřkolkami lze dosáhnout podstatně vyšších rychlostí i v terénu a to díky výkonným motorům a velmi dobrým jízdním vlastnostem. Quad čtyřkolky mají náhon pouze na zadní kola poháněná řetězem za účelem snížení hmotnosti.
Velké zdvihy pérování s dokonalým tlumením. Nízko položené těžiště a velký rozchod kol zajišťují velmi dobrou jízdní stabilitu.
Radek Šťastný - 12 - FS TUL Katedra vozidel a motorů
Čtyřkolky pro volný čas jsou kombinací ATV a Quad čtyřkolek a jsou určené pro sportovně založené zákazníky, kteří nechtějí přijít o užitné vlastnosti čtyřkolek. Hlavním znakem provedení je rám používaný u užitkových čtyřkolek s nezávislým zavěšením zadních kol a se sportovně laděným motorem a odpružením.
Historie čtyřkolek sahá k přelomu 60. a 70. let, kdy Honda přišla ne přímo s čtyřkolkou, ale terénní tříkolkou o obsahu 70 ccm. Při prvních testech se ale motor ukázal jako slabý a byl nahrazen silnějším s obsahem 89 ccm, ten disponoval 7 PS. Už tehdy se tříkolka rychle stala víkendovou zábavou především v USA a to i pro svou cenu 595 dolarů. Tříkolky se začaly rychle používat v zemědělských a průmyslových odvětvích, kde narůstala jejich obliba. Tento trend ATC Honda udržela zhruba deset let.
Řada dalších firem také montovala tříkolky se stále silnějšími a výkonnějšími motory. Byl to vlastně začátek jejich konce, tříkolky se tím staly obtížně ovladatelné, nestabilní a velmi nebezpečné.
První opravdovou čtyřkolku typ Quad Runner 125 představila v roce 1982 firma Suzuki. Byla to čtyřkolka velmi jednoduché konstrukce bez tlumičů a pérování, s náhonem pouze zadních kol. Vynikala snadnou ovladatelností a příznivou cenou vůči výkonu. Obchodní úspěch Suzuki inspiroval ostatní firmy k vývoji a výrobě vlastních čtyřkolek.
Z počátku 80. let to byly převážně japonské společnosti Suzuki, Yamaha, Honda a Kawasaki, které udávaly směr vývoje čtyřkolek. První čtyřkolka s pohonem všech kol spatřila světlo světa v polovině osmdesátých let a poté následovala výroba čtyřkolek dle již zmiňovaného dělení čtyřkolek podle konstrukce a specializace.
Dnes se vyrábějí i malé čtyřkolky určené pro děti. Tímto směrem se vydala i firma RSK Trade s.r.o., která se nyní zabývá výrobou Kart Crossových bugin. Dalším záměrem firmy je vyrobit vlastní sportovní terénní čtyřkolku určenou pro výchovu mládeže v rozmezí 8-12 let.
Kromě možného ekonomického přínosu z výroby těchto malých čtyřkolek, je hlavní myšlenkou přilákat co možná největší počet dětí k motoristickému sportu, tím rozšířit jejich rozhled, vzbudit zájem o techniku a nabídnout smysluplné využití volného času. Naše země patřila mezi státy s vyspělým automobilovým a motocyklovým průmyslem. V posledních letech klesá zájem o studium technických věd. Podpora zájmu mladé generace o techniku je důležitým vkladem do budoucnosti. Smysluplné využití volného času je cestou, jak ochránit mládež od nástrah dnešního světa, jako jsou například drogy a alkohol. Motoristický sport z dětí vychová kvalitní řidiče s dokonalou reakcí. Základní požadavky čtyřkolky pro mládež, které ale nejsou určeny pro provoz na pozemních komunikacích, jsou spolehlivost, nízká hmotnost, snadná ovladatelnost a minimální provozní náklady.
Obr. 1 Honda ATC 70 Trik
Obr. 2 Suzuki Quad Runner 125
1 Současnost terénních čtyřkolek
1. 1 Základní popis čtyřkolky
Čtyřkolka je terénní motorové vozidlo, určené pro přepravu osob a nákladu. Čtyřkolky jsou jedno nebo dvoumístné. Řidič řídí pomocí řidítek přední nápravu stroje. Poháněná bývá vždy zadní náprava, u některých čtyřkolek bývá poháněná současně i přední náprava (pracovní čtyřkolky). Čtyřkolky kategorie Quad mají klikovou tuhou zadní nápravu uchycenou k rámu, podobně jako u motocyklu, přední závěs kol je lichoběžníkový s dvojicí
„A“ ramen. Rám je nejčastěji svařenec z trubek a pohonem je buď dvou nebo častěji čtyřdobý spalovací motor.
přední tlumiče pérování
přední spodní „A“
rameno
přední horní „A“ rameno
zadní pevná osa
Sekundární převod řetězem
Zadní pružící a tlumící jednotka zadní kyvná vidlice
kotoučová brzda
Obr. 3 Základní popis čtyřkolky
Radek Šťastný - 14 - FS TUL Katedra vozidel a motorů
1. 2 Popis současného stavu na trhu terénních juniorských čtyřkolek
V současné době je mnoho světových výrobců juniorských čtyřkolek (dále jen čtyřkolek). Mnoho asijských značek však vyrábí nekvalitní čtyřkolky za nízké ceny cca 10.000,- Kč, které ovšem nejsou vhodné ke sportovnímu využití. Ve světě je však několik výrobců např. taiwanský Access Motor, japonská Yamaha nebo americká firma Pitster Pro, které se zabývají vývojem a výrobou speciálních terénních čtyřkolek (Quad). Tyto výrobci jsou si vědomi, že budoucnost závodění je právě v dětech.
1. 3 Výrobci juniorských čtyřkolek 1. 3. 1 Výrobce Access Motor
Společnost Access Motor je relativně mladá firma, založená roku 2003 v taiwanském městě Taibao. Firma se specializuje na konstrukci a výrobu motorů a čtyřkolek. Čtyřkolky Access slaví úspěchy i v dětských čtyřkolkových závodech svými modely DRR 50, 90 a 100 ccm nejen v ČR, ale také v USA i po celém světě. Juniorská závodní čtyřkolka ACCESS DRR 100 MX Pro je závodní dětský speciál se silným dvoudobým, kapalinou chlazeným motorem o obsahu 89,2 ccm a s převodem řešeným variátorem. Tyto čtyřkolky jsou leadery v českém seriálu závodů OFF-ROAD maratónů.
rám čtyřkolky
Obr. 4 Access DRR 100 MX Pro
Typ čtyřkolky ACCESS DRR 100 MX Pro Motor dvoutaktní , 1 válec vodou chlazený
Obsah 89,2 cm3
Palivo - dodávka Natural 95 – karburátor Ø 28 mm Převodovka automatická - variátor
Startování elektrické + mechanické - nožní Sekundární převod řetězem
Rám svařenec z ocelových trubek tř. 11
Přední náprava - odpružení nezávislá lichoběžníková dvojitá „A“ ramena, zdvih 180 mm
Zadní náprava - odpružení kyvná vidlice – svařenec z ocelových trubek, osa pevná, zdvih 185 mm
Kola hliníkové disky
Přední disky, pneumatiky 10"x 5", 19 x 6-10"
Zadní disky, pneumatiky 9"x 6", 18 x 9,5"
Brzdy hydraulické, kotoučové
Přední 2 x 180 mm
Zadní 1 x 200mm
Rozměry
Šířka 1110 mm
Délka 1480 mm
Rozvor 1010 mm
Celková výška 980 mm
Výška sedáku 710 mm
Váha 127 kg
Cena - orientační 160.000 – 180.000 Kč
Tab. 1 Parametry ACCESS DRR 100 MX Pro
1. 3. 2 Výrobce Pitster Pro
Obr. 5 Pitster Pro FXR 150
Radek Šťastný - 16 - FS TUL Katedra vozidel a motorů
Americká společnost se sídlem a výrobou v Číně Pitster Pro je výrobcem dětské závodní techniky - motorek a čtyřkolek (Pitster Pro FXR 90, 125, 150). Pitster Pro 150 je poháněn vlastním čtyřtaktním jednoválcovým vzduchem chlazeným motorem a je osazen čtyřrychlostní manuální převodovkou. Jedná se o kvalitní stroj a celkové rozměry jsou větší než u Access DRR 100. Z toho důvodu výrobce kladl důraz na celkovou váhu stroje.
V konstrukci jsou použity ušlechtilé materiály. Rám je vyroben z trubek z chrom-molybdenové oceli s vyšší pevností, zadní kyvná vidlice je ze slitin hliníku.
Tyto stroje se v dětských kategoriích umisťují na předních místech v českém seriálu závodů OFF-ROAD maratónů.
Typ čtyřkolky PitsterPro FXR 150
Motor čtyřdobý, 1 válec vzduchem chlazený, olejový chladič
Obsah 150 cm3
Palivo - dodávka Natural 95 – karburátor Ø 26 mm Převodovka manuální 4 rychlostní
Startování mechanické - nožní
Sekundární převod řetězem
Rám svařenec z trubek z chrom-molybdenové oceli tř. 15
Přední náprava - odpružení nezávislá lichoběžníková dvojitá „A“ ramena s nastavitelným odklonem kola, zdvih 190 mm
Zadní náprava - odpružení kyvná vidlice z hliníkové slitiny, osa pevná, zdvih 203 mm
Kola hliníkové disky
Přední disky, pneumatiky 12", 19x6x10 Zadní disky, pneumatiky 10", 18x6,5x8
Brzdy hydraulické, kotoučové
Přední 2 x
Zadní 1 x
Rozměry
Šířka 1143 mm
Délka 1524 mm
Rozvor 1092 mm
Celková výška neuvedeno
Výška sedáku 737 mm
Váha 111 kg
Cena - orientační 66.000 Kč (základ) + 50.000 – 80.000 Kč (závodní set) Tab. 2 Parametry PitsterPro FXR 150
1. 3. 3 Společnost Yamaha
Japonský dlouholetý výrobce motocyklů a čtyřkolek Yamaha se rozhodl po obrovském úspěchu sportovní čtyřkolky Raptor 250 rozšířit řadu sportovních verzí a tím vyplnit mezeru ve výrobním sortimentu čtyřkolek pro obsah mezi 90 cm3 a 250 cm3 stroji. Jako vhodné a ekonomicky výhodné bylo zastavět motor o objemu 125 cm3 do již osvědčeného podvozku modelu Raptor 250. Design této juniorské čtyřkolky vypadá velice lehce a dospěle. Čtyřkolku pohání vzduchem chlazený jednoválec o objemu 124 cm3 s dvouventilovou technikou v hlavě, s rozvodem OHC, doplněný pětistupňovou převodovkou. K tomuto modelu čtyřkolky je nabízena celá škála příslušenství pro závodní i rekreační ježdění. Podpora významného výrobce a široká dealerská síť je velikou výhodou oproti jiným výrobcům těchto strojů.
Typ čtyřkolky YAMAHA Raptor 125
Motor čtyřdobý , 1 válec vzduchem chlazený
Obsah 124 cm3
Palivo - dodávka Natural 95 – karburátor Ø 28 mm Převodovka manuální, 5-ti rychlostní
Startování elektrické
Sekundární převod řetězem
Rám svařenec z ocelových trubek tř. 11
Přední náprava - odpružení nezávislá lichoběžníková dvojitá „A“ ramena, zdvih 190 mm
Zadní náprava - odpružení kyvná vidlice – svařenec z ocelových trubek, osa pevná, Obr. 6 Yamaha Raptor 125
Radek Šťastný - 18 - FS TUL Katedra vozidel a motorů
zdvih 200 mm
Kola hliníkové disky
Přední disky, pneumatiky 10", 19x6-10 Zadní disky, pneumatiky 9", 18x9-8
Brzdy hydraulické, kotoučové
Přední 2 x
Zadní 1 x
Rozměry
Šířka 1016 mm
Délka 1610 mm
Rozvor 1101 mm
Celková výška 1010 mm
Výška sedáku 714 mm
Váha 136 kg
Cena - orientační 66.000 Kč (základ) + 50.000 – 80.000 Kč (závodní set)
Tab. 3 Parametry YAMAHA Raptor 125
1. 3. 4 Někteří další výrobci juniorských čtyřkolek
Po roce 2000 došlo k velkému rozmachu výroby čtyřkolek. Původně japonské stroje se dnes vyrábí po celém světě. Z důvodu snížení výrobních nákladů se velká část výroby přesunula do Číny nebo na Taiwan. Některé stroje, určené pro děti pocházející z těchto zemí, nejsou vůbec vhodné pro sport. Technické zpracování a funkčnost těchto strojů jsou na špatné úrovni, například absolutně postrádají odpérování. Jsou to pouze vizuálně atraktivní čtyřkolky za nízkou cenu.
Výrobce Pro jaký věk je určen Jaké je využití
Yamaha 6-12 let sportovní, rekreační
Polaris 6-12 let rekreační, pracovní
Bashan 8-12 let rekreační
PitsterPro 8-12 let sportovní, rekreační
Access Motor 6-12 let sportovní, rekreační
E-ton 6-12 let rekreační
Tab. 4 Výrobní sortiment juniorských čtyřkolek
1. 4 Porovnání konstrukčních řešení
Od doby vzniku první čtyřkolky Suzuki Quad Runner 125 zůstává základní konstrukční řešení v podstatě stejné, pouze se modifikují dílčí konstrukční celky. Současné čtyřkolky mají navíc oproti Suzuki Quad Runner 125 odpružení přední i zadní nápravy. Původně ocelový trubkový rám je nyní u některých čtyřkolek šroubovanou konstrukcí z hliníkových slitin.
Původně pevná zadní náprava bývá nyní kliková, zavěšení zadních kol bývá častěji nezávislé, přední náprava je většinou lichoběžníková. U motorů se zvětšuje objem a výkon a používají se i vodou chlazené motory. Celkový design je atraktivnější, provedení se vyznačuje lepším zpracováním plastů a barev.
Rám čtyřkolky
Rám je hlavním nosným prvkem vozidla. K rámu jsou připevněny ostatní prvky jako jsou motor, nápravy, odpružení, plastová kapotáž. U čtyřkolek se zpravidla používá trubkový dvojitý uzavřený rám. Různé druhy bezešvých trubek (kruhové, čtvercové, obdélníkové, atd.) jsou svařeny elektrickým obloukem. Trubkové rámy jsou pro čtyřkolky velmi vhodné, neboť jsou lehké, mají vysokou pevnost a dostatečnou tuhost. Další jejich velkou výhodou je možnost kusové i sériové výroby bez nákladného výrobního zařízení. Rozdíly mezi výrobci jsou hlavně v použitých materiálech trubek. Jedná se buď o nelegované nebo legované oceli (s legurami chrom a molybden), nebo hliníkové slitiny. Hliníkové rámy mají při stejné pevnosti menší hmotnost než ocelové. Nevýhodou hliníkových rámů je jejich vysoká cena, obtížnější svařování, horší elastičnost konstrukce a náročnější opravy, protože při rovnání poškozených rámů z vysokopevnostní hliníkové legované slitiny dochází k velkému pnutí a následným prasklinám.
Zavěšení předních kol
Používá se nezávislé zavěšení předních kol, kde nedochází k přímému ovlivnění levého kola pravým a naopak. Převážně se jedná o lichoběžníkovou nápravu. Náprava je tvořena dvojicí nad sebou umístěných „A“ ramen, spojených těhlicí a druhý konec ramen je přišroubován k rámu. Ke každému spodnímu rameni je připevněna samostatná pružící
a tlumící jednotka (seřiditelný útlum) s progresivní charakteristikou útlumu.
Materiál ramen je většinou z vysokopevnostní legované oceli. Spojení s těhlicí je řešeno přes kulový čep. U sériového zavěšení kol je možné nastavit pouze příklon rejdového čepu a sbíhavost kol. Specializované firmy dodávají přední ramena ještě s možností regulace záklonu rejdového čepu.
Radek Šťastný - 20 - FS TUL Katedra vozidel a motorů
Obr. 7 Dvojice „A“ ramen pro zavěšení předního kola čtyřkolky
Obr. 8 Zavěšení zadní nápravy čtyřkolky
Řízení
Řízení se u čtyřkolek provádí pomocí řidítek. Řidítka jsou pevně spojena s řídící tyčí, na které je připevněna konzola. Na konzolu jsou napojena přes kulové čepy táhla řízení.
Od táhel řízení je pohyb přenášen na těhlice.
Zavěšení zadních kol
U sportovních čtyřkolek jsou poháněna pouze zadní kola. Používá se závislé zavěšení kol (tuhá náprava). S tímto zavěšením kol je čtyřkolka méně náchylná na naklápění v zatáčkách a lépe drží přímou stopu, je to jednoduchá konstrukce odolná vůči poškození.
Hlavní nevýhodou je pevná vazba mezi pravým a levým kolem, kdy v zatáčkách musí dojít k prokluzu jednoho z kol. Další nevýhodou je velká hmotnost neodpružených hmot a nutnost robustní kyvné vidlice. Poháněná kola jsou připevněna na jedné tuhé hřídeli (ose), k ní je připevněn jeden brzdový kotouč a zadní poháněná rozeta. Tuhá hřídel je uložena přes ložiska v kyvné vidlici. Do rámu je většinou kyvná vidlice uložena v jehlových ložiskách. Zadní kyvná vidlice je odpružena jednou centrální pružící a tlumící jednotkou. Materiál kyvných vidlic je legovaná ocel nebo se jedná o odlitek z hliníkových slitin (nižší hmotnost).
Motor
Výhody a nevýhody dvoudobého motoru oproti čtyřdobému
Výhody dvoudobého motoru
jednoduchá konstrukce – menší počet pevných i pohyblivých dílů, jednodušší výroba, nižší cena,
vyšší měrný výkon PVz – udává se jako poměr výkonu a zdvihového objemu motoru, dvoudobé motory mají tuto hodnotu o 10% i více vyšší než moderní čtyřdobé motory,
menší hmotnost připadající na 1kW výkonu – méně dílů,
snadnější spouštění v zimě.
Nevýhody dvoudobého motoru
větší měrná spotřeba paliva – udává se v g/kWh, je způsobena hlavně nedokonalým vyplachováním, přičemž vždy část čerstvé směsi unikne nevyužita do výfuku,
větší tepelné namáhání motoru – je způsobeno dvoudobým cyklem – jedna expanzní doba na jednu otáčku,
větší hluk výfuku a sání,
větší obsah škodlivin ve výfukových plynech (ekologická zátěž),
nižší životnost,
složité správné nastavení dle klimatických podmínek a charakteru tratě.
Radek Šťastný - 22 - FS TUL Katedra vozidel a motorů
1. 5 Požadavky kladené na sportovní terénní čtyřkolku 1. 5. 1 Velikost čtyřkolky
Velikost čtyřkolky musí být přizpůsobena vzrůstu a fyzické dispozici juniorů ve věku 8 -12 let. Juniorská čtyřkolka je zmenšenou variantou dospělé čtyřkolky.
Firma RSK Trade definuje základní parametrya rozměry čtyřkolky:
Motor Čtyřdobý vodou chlazený KTM DUKE 125
Obsah 125 cm3
Převodovka Manuální 6 rychlostní
Sekundární převod řetězem
Rám Svařenec z chrom-molybdenové oceli tř. 15130 trubky
Přední náprava - odpružení Nezávislá lichoběžníková (nastavitelný odklon a záklon kola), z chrom-molybdenové oceli trubky, zdvih 200 mm
Zadní náprava - odpružení Kyvná vidlice – svařenec, materiál ocel tř. 15130, zdvih 200 mm
Kola Hliníkové disky
Přední disky, pneumatiky 10", 19*6*10 Zadní disky, pneumatiky 9", 18*9*9
Brzdy Hydraulické, kotoučové
Přední 2 x
Zadní 1 x
Rozměry
Rozvor 1050 mm
Rozchod 950 mm
Výška sedáku 720 mm
Hmotnost
4 kol, hřídel z. nápravy, př. náboje 43 kg
motoru 25 kg
rámu 28 kg
nádrž, plasty, sedlo 19 kg doplňky, ovládací prvky 10 kg celková hmotnost čtyřkolky 125 kg
Tab. 5 Parametry navrhované čtyřkolky
Z grafů č.1, č.2 je zřejmé, že při konstrukci čtyřkolky pro 8 – 12 leté juniory je třeba počítat s hmotností posádky od 25 kg do 50 kg a výškou od 125 cm do 155 cm.
1. 5. 2 Bezpečnost čtyřkolky
Hlavní požadavek bezpečnosti je dostatečně dimenzovaná konstrukce rámu a náprav čtyřkolky. Čtyřkolka musí při jízdě bez poškození odolávat terénním nerovnostem a případným skokům, musí být snadno ovladatelná (vhodné řízení) a dle potřeby musí mít vhodně nastavené odpružení. Odpružením se snižuje přenos kmitavých pohybů náprav stroje na rám. Pružící jednotky tak napomáhají chránit řidiče před nežádoucími otřesy. Odpružení také zvyšuje životnost některých dílů čtyřkolky a přičemž zajišťuje stálý styk pneumatik s terénem. Stálým kontaktem s terénem je zajištěn přenos obvodových sil jak hnacích, tak i brzdících. U řídících kol by ztráta styku pneumatiky s povrchem měla nepříznivý vliv na řiditelnost čtyřkolky. Tlumiče tlumí nárazy vzniklé nerovností povrchu, po kterém se stroj pohybuje, tlumí kmitání neodpružených hmot a udržuje je v co možná nejmenší míře.
Pro zvýšení bezpečnosti a ovladatelnosti stroje se používají přídavná zařízení např. tlumiče řízení, přídavné rámy vpředu čtyřkolky a u stupaček jezdce a tzv. trhačka sloužící k vypnutí stroje při pádu jezdce.
Graf č. 1, č. 2 Vzrůst a váha chlapců ve věku 2 – 18 let
Radek Šťastný - 24 - FS TUL Katedra vozidel a motorů
1. 5 . 3 Hygienické normy
Konstrukce a vybavení dle technického řádu ČSMS
Terénní čtyřkolky pro výchovu mládeže musí odpovídat technickým řádům Českého svazu motocyklového sportu, kde jsou zařazeny do kategorie II a skupiny G.
Pokud jde o značku, konstrukci, nebo typ čtyřkolky, neexistují žádná jiná omezení než dále uvedená. Čtyřkolka musí být konstruována takovým způsobem, aby byla plně ovladatelná jezdcem. Použití titanu pro stavbu rámu, předních vidlic, řídítek, kyvné vidlice, os kyvných vidlic a os kol je zakázáno. Pro osy kol je také zakázáno použít slitiny lehkých kovů. Použití titanových slitin pro matice a šrouby je povoleno. Spouštěcí zařízení je povinné a poháněna smí být pouze zadní kola.
Šířka řídítek je minimálně 600 mm a maximálně 850 mm. Příčné spojení řídítek (hrazdička) musí být pokryto ochranným návlekem. Pokud není příčné spojení řídítek musí být zakryty i středové svorky, které připevňují řídítka. Otevřené konce řídítek musí být uzavřeny zátkou z pevného materiálu. Dorazy řízení musí být namontovány tak, aby bylo docíleno minimální vzdálenosti mezi řídítky a nádrží 30 mm při natočení řídítek do krajní polohy. Třmeny, připevňující řídítka, musí být pečlivě zaobleny a vyrobeny tak, aby se předešlo poruše (prasknutí) řídítek. Oprava řídítek ze slitiny lehkých kovů svařováním je zakázána. Všechny ovládací páčky na řídítkách (spojky, brzdy atd.) musí být zakončeny kuličkou (minimální průměr této kuličky musí být 16 mm). Kulička může být rovněž zploštělá, avšak hrany musí být v každém případě zaobleny (minimální tloušťka zploštělé části 14 mm). Tato zakončení musí být připevněna trvalým způsobem a musí tvořit nedílný celek s páčkou. Každá páčka (ruční i nožní) musí být namontována na samostatném čepu.
Je-li brzdová páčka načepována na ose stupačky, musí fungovat za všech okolností, i když je stupačka ohnutá nebo jinak deformovaná. Ovládání plynu se musí samočinně vracet, spustí-li z něj jezdec ruku.
Je-li primární řetěz volně přístupný, musí být z bezpečnostních důvodů opatřen krytem řetězu. Tento kryt musí být konstruován tak, aby v žádném případě jezdec nemohl přijít do styku s řetězem nebo řetězovým kolem. Kryt řetězu musí být na předním řetězovém kole.(sekundárním řetězu).
Čtyřkolky musí mít nejméně dvě účinné brzdy (jednu na každou nápravu). Přední brzdy (levé i pravé kolo společně) musí být ovládány páčkou namontovanou na řídítkách. Zadní brzda musí být na každém kole, ale na pevné zadní ose (nedělené) je dostačující jedna brzda ovládaná páčkou na řídítkách nebo nožním pedálem.
Jakékoli úpravy ráfku jsou zakázány, povoleny jsou ráfky do 12". Celková šířka čtyřkolky je maximálně 1300 mm. Kapotáž a ostatní plastové doplňky musí být vyrobeny z poddajného netříštivého materiálu.
Kontrola hluku čtyřkolek ve prospěch životního prostředí v rámci "Kampaně tichá jízda“ je nová metoda pro měření hladiny akustického tlaku s názvem „2 m max " maximální hodnota hluku pro čtyřkolky je 96 dB.
Obr. 9 Rozměry čtyřkolky dle ČSMS
Radek Šťastný - 26 - FS TUL Katedra vozidel a motorů
Ochranné prvky čtyřkolek
U čtyřkolek musí být namontováno automatické vypínání zapalování pro případ, že jezdec při pádu opustí stroj. Řidič má na těle připevněný spirálový drát, který při pádu jezdce se vytrhne ze čtyřkolky a vypne zapalování stroje. Čtyřkolka se zastaví.
Ochranný kryt řetězu musí mít takovou délku a šířku, aby končil za zadní částí řetězového kola (musí zakrýt zadní část řetězového kola).
Ochranný oblouk musí být namontován vpředu v úrovni přední části pneumatiky. Mezi koly musí být po obou stranách namontován ve výši hřídelí kol ochranný rám tak, aby zabránil vzájemnému zaklesnutí kol vozidel.
Ochranný rám musí být pod stupačkami doplněn deskou s výztuží, plechem nebo pevným sítem, aby jezdec nemohl vstoupit mezi kola.
Ochranné prvky jezdce
Jezdec musí mít při jízdě na čtyřkolce ochranný oděv, obuv, rukavice a přilbu.
Ochranný oděv, kalhoty a rukavice musí být z vhodného, trvanlivého materiálu. Boty musí Obr. 10 Měření hluku čtyřkolky
Obr. 11 Kryt řetězu čtyřkolky
být z kůže nebo rovnocenného materiálu sahající ke kolenům, aby se zabránilo odřeninám při nehodách. Ochranná přilba musí být řádně upevněna, musí dobře padnout a být v dobrém stavu. Přilba musí mít podbradní stahovací řemínek „upevňovacího systému“. Všechny helmy musí být označeny jednou z oficiálních mezinárodních značek. Mezinárodní platné normy pro přilby: ECE 22 – 05 „P“ (EVROPA). Označení normy pro Evropu v kroužku je E a číslo zkušebny státu viz seznam.
Materiál rovnocenný kůži musí být přinejmenším rovnocenný 1,5 mm hovězí usně.
Vlastnosti tohoto materiálu: schopnost zpomalovat šíření ohně, odolnost vůči oděru, schopnost pohlcovat pot, lékařská zkouška - netoxičnost a nealergičnost.
Doporučená výbava pro juniory
Chránič krční páteře (tzv. límec), chránič hrudníku a páteře, chrániče bederní, chrániče ramen, loktů a kolen.
Obr. 12 Mezinárodní platné normy pro přilby
Radek Šťastný - 28 - FS TUL Katedra vozidel a motorů
Obr. 13 Motor KTM Duke 125
2. Konstrukční návrh zavěšení kol přední nápravy
2. 1 Volba řešení konstrukce a vybavení
Juniorská závodní čtyřkolka by měla být lehký, snadno ovladatelný stroj s dostatečnými zdvihy pérování 200 mm a více. Důležitá je také seřiditelná tuhost pérování s progresivní charakteristikou, což u předních pružících a tlumících jednotek je dáno samotnou konstrukcí jednotek. U zadní centrální pružící a tlumící jednotky se docílí progresivity charakteristiky buď geometrií zdvihu (tzv. přepákováním), nebo samotnou konstrukcí jednotky, která je seřiditelná.
Rám
Firma RSK Trade předpokládá kusovou nebo malosériovou výrobu, proto vhodnou variantou provedení bude trubkový dvojitý uzavřený rám. Materiál rámu bude chrom-molybdenová ocel s ohledem na to, že při zachování stejné pevnosti mají proti nelegovaným ocelím legované oceli nižší hmotnost.
Zavěšení předních kol
Zavěšení předních kol bude realizováno dvojicí nad sebou uložených „A“ ramen s možností nastavení příklonu a záklonu rejdového čepu, dále s možností odklonu kola vůči rejdovému čepu. Materiál ramen je opět chrom-molybdenová ocel.
Zavěšení zadních kol
Zavěšení zadních kol bude přes tuhou zadní hřídel uloženou ve valivých ložiskách ke kyvné vidlici. Napínání řetězu bude realizováno posuvem zadní osy vůči kyvné vidlici.
Kyvná vidlice bude svařenec z chrom-molybdenových trubek ( nižší cena než hliníkový odlitek) a uložena do rámu přes jehlová ložiska.
Motor
Vlastní konstrukce motoru firmou RSK Trade není z ekonomického hlediska vhodnou variantou. Z výše uvedených důvodů je pro firmu RSK Trade vhodným motorem čtyřdobý, kapalinou chlazený, jednoválcový motor s manuální převodovkou, která má vyšší účinnost než variátor, proto se použije sériově vyráběný motor z motocyklu KTM DUKE 125, který tato kritéria splňuje.
Technická data motoru
KTM DUKE 125 je kapalinou chlazený čtyřdobý jednoválec, s dvěma nahoře uloženými, řetězem poháněnými vačkovými hřídeli a čtyřmi ventily na válec.
Další parametry motoru:
vstřikování Bosch,
akumulátor 12 V,
mechanicky ovládaná vícekotoučová spojka v olejové lázni,
šestistupňová převodovka,
vrtání x zdvih 58 x 47,2 mm,
zdvihový objem 124,7 cm³ ,
stupeň komprese 12,6:1,
jmenovitý výkon 11,3 kW (15 k) při 10 500 1/min,
max. točivý moment 12 Nm při 8000 1/min.
2.2 Zatěžující stavy při jízdě čtyřkolkou
Sportovní terénní čtyřkolka je během provozu vystavena mnoha zatěžujícím stavům.
Konstrukce čtyřkolky musí těmto stavům odolávat bez poškození, jinak by mohlo dojít k vážnému zranění jezdce.
Extrémní zátěžové stavy:
- brzdění, - akcelerace, - průjezd zatáčkou,
- dopad při skoku z výšky.
Brzdění
Ve výpočtovém modelu situace brzdění je uvažováno pouze zpomalení ve vodorovném směru. Velikost zpomalení je uvažováno za stavu jízdy čtyřkolky po suchém asfaltu.
Součinitel smykového tření mezi materiály pryž – asfalt je 0,8. Velikost zpomalení určíme ze vztahu m.ax = m.g.μ . Velikost zpomalení uvažujeme 7,8 m.s-2
Akcelerace
Ve výpočtovém modelu situace akcelerace je uvažováno pouze zrychlení ve vodorovném směru ax. Velikost zrychlení vychází z definovaných hodnot použitého motoru u motocyklu KTM Duke125, kde z 0 km.h-1 na 100 km.h-1 dosáhne za 14 s. Velikost zrychlení uvažujeme ax =1,9 m.s-2.
Průjezd zatáčkou
Ve výpočtovém modelu situace průjezdu zatáčkou hledáme maximální odstředivou sílu Fo, která působí na překlopení čtyřkolky.
Radek Šťastný - 30 - FS TUL Katedra vozidel a motorů
Dopad při skoku
Ve výpočtovém modelu situace dopadu čtyřkolky z výšky na zem je uvažováno, po konzultaci se zadavatelem práce, ve svislém směru maximální přetížení 3 g. Výpočty jsou provedeny pro případ dopadu čtyřkolky na všechna čtyři kola.
2.3 Výpočet vybraných parametrů geometrie hmot čtyřkolky
Těleso 1 - motor, rám, plasty, doplňky, posádka ( odpružená hmota ).
Těleso 2 - zadní kola, hřídel kol ( neodpružená hmota ).
Těleso 3 - přední kola, náboje kola ( neodpružená hmota ).
Výpočet polohy těžiště v ose „y“ odpružených hmot
Těleso 1
m11= 28 kg hmotnost rámu
m12 = 19 kg hmotnost nádrže, sedla, plastů m13 = 25 kg hmotnost motoru
m14 = 10 kg hmotnost doplňky, ovládací prvky m15 = 50 kg hmotnost jezdce
m1 = 132 kg těleso 1 y11 = 500 mm
y12 = 700 mm y13 = 480 mm y14 = 580 mm y15 = 760 mm
Obr. 14 Těžiště odpružených hmot čtyřkolky v ose Y
Vyjádření ekvivalentů statických momentů:
∑ mi * yi = m1 * yt1
28 * 500 + 19 * 700 + 25 * 480 + 10 * 580 + 50 * 760 = 132 * yt1
yt1 = 630 mm
Poloha těžiště v ose „y“ neodpružených hmot
Těleso 2, 3
m2 = 27 kg hmotnost zadních kol, hřídel kol m1 = 16 kg hmotnost předních kol, náboje kol
yt2 = 228 mm yt3 = 241 mm
Výpočet polohy těžiště celé čtyřkolky s jezdcem v ose „y“:
∑ mi * yi = mc * yt
132 * 630 + 27 * 228 + 16 * 241 = 175 * yt
yt = 532 mm
Obr. 15 Těžiště neodpružených hmot čtyřkolky v ose Y
Radek Šťastný - 32 - FS TUL Katedra vozidel a motorů
Výpočet polohy těžiště v ose „x“
Těleso 1
m11= 28 kg hmotnost rámu
m12 = 19 kg hmotnost nádrže, sedla, plastů m13 = 25 kg hmotnost motoru
m14 = 10 kg hmotnost doplňky, ovládací prvky m15 = 50 kg hmotnost jezdce
m1 = 132 kg těleso 1 x11 = 630 mm
x12 = 610 mm x13 = 530 mm x14 = 510 mm
Obr. 16 Těžiště odpružených hmot čtyřkolky v ose X
x15 = 350 mm l = 1050 mm
Vyjádření ekvivalentů statických momentů:
∑ mi * xi = mc xt
28 * 630 + 19 * 610 + 25 * 530 + 10 * 510 + 50 * 350 = 132 * xt1 xt1 = 493 mm
Poloha těžiště v ose „x“ neodpružených hmot
Těleso 2, 3
xt2 = 0 mm xt3 = 1050 mm
Výpočet polohy těžiště celé čtyřkolky s jezdcem v ose „x“:
∑ mi * xi = mc * xt
132 * 493 + 27 * 0 + 16 * 1050 = 175 * xt
xt = 467 mm
Rozložení sil na nápravy: přední 44,5 %, zadní 55,5 %
2.4 Výpočet sil při brzdění
Vstupní hodnoty:
m = 175 kg , μ = 0,8
Těleso 2 Těleso 3
Obr. 17 Těžiště neodpružených hmot čtyřkolky v ose X
Radek Šťastný - 34 - FS TUL Katedra vozidel a motorů
Na obrázku je schéma čtyřkolky při brzdění předních a zadních kol. Brzdná síla působí na předních kolech složkou FBP a na zadních složkou FBZ.
RR:
→: - FBZ - FBP + Dx = 0
↑ : NZ + NP - m*g = 0
k B : - MDZ - MDP - D x * yT - m * g * xT + NP * l = 0
_______________________________________________________
Dx = m * a MDZ = I2 * α2 MDP = I3 * α3 a = α2 * r2 a = α3 * r3 FBZ = NZ * μ FBP = NP * μ a = μ * g
____________________________
a = 7,848 m*s-1 Dx = 1373 N MDZ = 24,6 Nm MDP = 15,1 Nm
T
a
v
m*g
FBZ FBP
Dx
yT
xT NZ
NP x[mm]
MDP MDZ
y[mm]
z
Obr. 18 Síly, které působí při brzdění na čtyřkolku
NP = 1374 N NZ = 343 N FBZ = 274 N FBP = 1099 N
2. 5 Rovnováha celku při průjezdu zatáčkou na hranici překlápění
Výpočet maximální axiální síly
Situace, kdy vlivem průjezdu zatáčkou se začne pravé kolo odlehávat od země a čtyřkolka se začíná překlápět - síla Fo ≥ FT. Pro malé odlehnutí uvažujeme Dy = 0.
Vstupní hodnoty:
v = 15 m.s-1 , μ = 0,8 ,
RR:
→: F T - F O = 0
↑ : N L - m * g = 0
k P: Fo * yt - m * g * xt - M D = 0
__________________________________________
Fo = m * an = m * v2 * r-1 FT = NL * μ = m * g * μ NL = 1717 N
FT = 1373,4 N Fo ≥ 1373,4
Obr. 19 Odstředivé síly, které působí na čtyřkolku
Radek Šťastný - 36 - FS TUL Katedra vozidel a motorů
2.6 Výpočet sil při dopadu čtyřkolky
Vstupní hodnoty:
a x = 1,9 m*s-2 , a y = 3 * g
Těleso 1
- vstupní hodnoty:m1 = 132 kg , a x = 1,9 m.s-2 , a y = 3 * g Obr. 20 Schéma čtyřkolky
Obr. 21 Síly, které působí při dopadu na odpruženou hmotu čtyřkolky
a Y
R PX a X, vX
x[mm]
y T1
xT1
T
m 1* g D 1X
D1Y
l R ZX
F PZ y[mm]
Těleso 1
B
F PP
z y 1
→: Rz x - Rpx - D1x = 0
↑ : FPZ + FPP - D1y - m1 * g = 0
k B : FPP * l + D1x * (yT1 – y1) - ( D1y + m1 * g ) * xT1 = 0
_______________________________________________________
D1x = m1 * ax D1y = m1 * ay
____________________________
D1x = 251 N D1y = 3885 N FPP = 2341 N FPZ = 2838 N
Těleso 2
- vstupní hodnoty:m1 = 27 kg , ax = 1,9 m.s-2 , Mh = 220 N m , e = 4,5 mm , r2 = 228 mm
RR:
→: - RZX - D2 + T2 = 0
↑ : - FPZ - m2 * g + N2 = 0
k S2 : MD2 - Mh + TB2 * r2 - NB2 * e = 0 ______________________________________
D2 = m2 * ax MD2 = I2 * α2 I2 = ½ * m2 * r22
ax = r2 * α2
Obr. 22 Síly, které působí při dopadu na neodpruženou hmotu (zadní kolo čtyřkolky)
M h
r2
M D2
α2
aX, vX
r 2
S2
e T2
N2
x [mm]
y [mm]
Těleso 2
F PZ
R ZX D 2
m2 *g
ω2
S2
r2
Radek Šťastný - 38 - FS TUL Katedra vozidel a motorů
_____________________________
D2 = 51,3 N α2 = 6,8 rad*s-2 MD2 = 4,8 N m N2 = 3102 N
Těleso 3
- vstupní hodnoty:m1 = 16 kg , ax = 1,9 m.s-2 , r2 = 241 mm
RR:
→: RPX - D3 - T3 = 0
↑ : N3 - FPP - m3 * g = 0
k S3 : MD3 – T3 * r3 + NB3 * e3 = 0 D3 = m3 * ax
MD3 = I3 * α3 I3 = ½ * m3 * r32 ax = r3 * α3
_____________________________
α3 = 7,88 rad*s-2 I3 = 0,46
MD3 = 3,66 N m D3 = 30,4 N N3 = 2498 N T3 = 62 N RPX = 92 N
r2
T3 e
N3
x [mm]
y [mm]
Těleso 3
F PP
R PX D 3
m3*g
ω3 α3
aX, vX
r 3 S3 MD3
z
l
Obr. 23 Síly, působcích při dopadu na neodpruženou hmotu (přední kolo čtyřkolky)
Obr. 24 Reakce na přední kolo v režimech provozu brzdění, jízda zatáčkou, dopad z výšky
Těleso 3
r3
NLP FPT
FPT= FT* 44,5 % = 612 N NLP= NL* 44,5 % = 764 N
N LP
F PT
Těleso 3 a
v Těleso 3
r3
NPL
FBPL FBPL= FBP* 50 % = 550 N NPL= NP* 50 % = 687 N
N PL F BPL Těleso 3
a v
Těleso 3
r3
NL3
TL3
TL3= T3* 50 % = 31 N NL3= N3* 50 % = 1249 N
N L3
T L3
Těleso 3
a v
2. 7 Výsledné zatěžující síly na předním kole čtyřkolky
Brzdění:
Jízda zatáčkou:
Dopad při skoku:
Radek Šťastný - 40 - FS TUL Katedra vozidel a motorů
Zatěžující síly při brzdění předního levého kola:
Zatěžující síly předního kola při zatáčení čtyřkolky na hranici převrácení:
Těleso 3
r3 RBPL
NPL
FBPL
FBPL+ FBPL-
FBPL= FBP* 50 % = 550 N NPL= NP* 50 % = 687 N FBPL+, FBPL = silová dvojice FBPL* r3= MK
RBPL2= NPL2+ FBPL2 RBPL= 880 N
Obr. 25 Výsledná radiální síla brzděním
N LP
F PT -
F PT F PT +
Těleso 3 FPT= FT* 44,5 % = 612 N
NLP= NL* 44,5 % = 764 N FPT+, FPT- = silová dvojice FPT* r3= MK
Obr. 26 Výsledná axiální síla při průjezdu zatáčkou
Zatěžující síly při dopadu na přední kolo:
Z uvedených situací je nejvíce zatěžující radiální silou síla při dopadu čtyřkolky, která má hodnotu 1250 N. V axiálním směru je to jízda v zatáčce, hodnota axiální síly je 611,6 N.
2.8 Výpočet sil u čtyřkloubového mechanizmu závěsu kola
Těleso 3
r3 RL3
NL3
TL3
TL3+ TL3-
TL3= T3* 50 % = 31 N NL3= N3* 50 % = 1249 N TL3+, TL3 = silová dvojice TL3* r3= MK
RL32= NL32+ TL32 RL3= 1250 N
Obr. 27 Výsledná radiální síla při dopadu čtyřkolky
Obr. 28 Síly na předním kole při dopadu čtyřkolky
Radek Šťastný - 42 - FS TUL Katedra vozidel a motorů
F2 = NL32 + FPT2 F = 1390 N
Určení velikostí a směrů sil v čtyřkloubovém mechanizmu závěsu předního kola bylo provedeno graficky v prostředí software Autodesk Inventor. Zjištěny byly reakce v kloubových vazbách, tj. zatěžující síly pro všechny členy mechanizmu. Zobrazení níže uvedeného grafického řešení je na obr. 29, 30.
F
Nositelky sil
tlumič
osa kola
3.
2.
FBP L
Podélná osa čtyřkolky
4.
Obr. 29 Mechanizmus závěsu lichoběžníkové nápravy s nositelkami sil