Hamownia, moc, moment obrotowy – fakty i mity

Motoryzacja, co może Was dziwić, w testach odnosi się do mocy motocykli uzyskiwanej „na kole”. Inżynier Kuba Walasek (oprócz tego, że ukończył Wydział Mechaniczny Politechniki Gdańskiej, to ściga się też na motocyklach) rozpoczyna krucjatę obalania mitów dotyczących osiągów motocykli.

Mit I – To moment odpowiada za przyspieszenie, a nie moc

Za przyspieszenie pojazdu odpowiedzialne są dwa czynniki:
1: wypadkowa wszystkich sił działających na motocykl [F]
2: oraz masa tego motocykla, a dokładniej masa całego poruszającego się pojazdu [m]
Przyspieszenie: a=F/m

Wspomniane siły, to siły oporu toczenia [Fot], oporu powietrza [Fop] oraz siła, którą droga działa na koło napędowe [Fn]. I ta właśnie siła bezpośrednio zależy od momentu siły, jaki mamy w danej chwili na silniku. M*k=Fn

k – stała wynikająca z przełożeń w skrzyni biegów i w reszcie układu przeniesienia napędu, oraz rozmiaru koła napędowego. I wychodziło by na to że to właśnie moment odpowiada za przyspieszenie. Haczykiem jest tu jednak ta tajemnicza stała k – zależna od przełożenia w skrzyni biegów.

Prawda jest jednak taka, że to chwilowa moc oddawana przez silnik zamienia się na pracę na kole po to, by powiększyć energię pojazdu. A moc to moment siły pomnożony przez prędkość obrotową – czyli jeśli mamy silnik dużego choppera, który ma 100 Nm przy 2500 obr na minutę, to wyprodukuje on dokładnie tyle samo mocy, co silnik, który będzie dysponował 50 Nm przy 5000 obrotów/min, albo 25 Nm przy 10000 obr/min.

I jeśli jedziemy z określoną prędkością, to całość mocy produkowanej silnik i oddawanej na koło dzieli się przez prędkość liniową motocykla aby w ten sposób otrzymać siłę pchającą motocykl (siła razy prędkość daje moc). Co z tego że silnik naszego motocykla ma 100 Nm, skoro osiąga je przy zaledwie 2500 obr/min. Jeśli obok nas będzie z tą samą prędkością jechać motocykl wyścigowy, którego silnik będzie się kręcił z prędkością 5000 obr/min i produkował 65 Nm, to końcowo na kole pojawi się mu więcej siły która będzie pchała jego motocykl.

Tech Zone

By zrozumieć na czym polega pomiar na hamowni, należy wpierw wyjaśnić kilka pojęć fizycznych, których będziemy tu używać: Moc – ilość pracy wykonana w jednostce czasu. Można ją również obliczyć jako iloczyn prędkości oraz siły z jaką osiągamy tą prędkość. Załóżmy, że stoimy na dachu budynku i mamy linę z wiadrem przeciągniętą przez kołowrotek. Wiadro waży 5 kg. Ktoś kto szedłby z tą liną i wciągałby wiadro, wykonywałby pracę. Czyli działałby siłą przy określonej prędkości. Ten, który szedłby z liną szybciej, szybciej dostarczyłby wiadro na dach, czyli miałby więcej mocy, a ten który wolniej – mniej mocy. Moment siły (potocznie: moment obrotowy) – siła na określonym ramieniu. Momentem siły działamy na klucz, kiedy chcemy otworzyć drzwi. W silnikach moment siły to wartość mówiąca o tym jak „mocno” silnik próbuje się kręcić. Moment siły jest związany z mocą, a dokładniej jest składową mocy. Drugą składową jest prędkość kątowa. Po pomnożeniu prędkości kątowej (w radianach na sekundę) przez moment siły (w niutonometrach) otrzymamy moc (w Watach). Siła styczna – Moment siły w przełożeniu na wartości liniowe to siła pociągowa. Kiedy przyspieszamy motocyklem, czujemy jakby ciągnęła nas jakaś lina. I to właśnie jest siła styczna. Koło napędowe działa na ziemię siłą styczną i w wyniku reakcji na tą siłę motocykl przyspiesza.

Skrzynia biegów nie jest w stanie wyprodukować więcej mocy, niż wyprodukuje silnik

Aby łatwiej było wszystko to sobie zobrazować, przytoczę 2 wykresy – jeden momentu siły w funkcji prędkości obrotowej silnika oraz drugi – siły pchającej motocykl w funkcji prędkości liniowej motocykla.

Na pierwszym wykresie mamy charakterystyki wewnętrzne silnika. Moment siły w funkcji prędkości obrotowej. Jak widać moment na silniku jest o wiele wyższy dla Intrudera, niż dla GSXR. Należy jednak zauważyć, że w miarę wzrostu obrotów, moment w Intruderze spada. Można zauważyć, że ten maksymalny moment w Intruderze jest przy znacznie niższych obrotach niż w GSXR.

Rys 1. Wykresy momentu siły dla Suzuki Intruder 1500 01’ (czerwony) oraz GSXR 750 04’ (niebieski)

Na drugim wykresie mamy do czynienia z tą samą krzywą, ale pomnożoną przez przełożenie skrzyni biegów. Czyli krzywą siły, jaką tylne koło pcha motocykl, w funkcji prędkości. To jest rzeczywista siła, którą motocykl jest w stanie wyprodukować, kiedy odkręcimy gaz do końca na 4 biegu. Wyraźnie widać, że mimo znacznie większego momentu na wale silnika, Intruder dysponuje znacznie mniejszą siłą na kole. Oba motocykle zostały zmierzone na 4 biegu. Prędkości na tym biegu osiągają bardzo podobne wartości, a wykres siły stycznej mówi sam za siebie. Dodatkowo widać że silny dół w Intruderze ani przez chwilę nie jest tak mocny jak słaby dół w GSXR.

Rys 2. Wykres siły stycznej w funkcji prędkości liniowej siły dla Suzuki Intruder 1500 01’ (czerwony) oraz GSXR 750 04’ (niebieski)

Dzieje się tak dlatego, że skrzynia biegów nie jest w stanie wyprodukować więcej mocy, niż wyprodukuje silnik. A to ilość mocy na kole w danej chwili stanowi o chwilowym przyspieszeniu.

Mit II – To nic, że 600-ka ma 1/3 mocy mniej niż 1000 – i tak jest zrywniejsza

Całość znów wynika z różnych przełożeń w skrzyni biegów. Do końca lat ‘80, a na początku lat ’90, wszelkie drogowe wyścigówki miały pierwszy bieg kończący się mniej więcej na 100 km/h. Działo się tak, gdyż każdy z producentów chciał jak najlepiej zaprezentować się w katalogach w rubryce „ 0-100 km/h ”. Nie było wtedy z tym problemu, bo moce motocykli w wartości netto – na kole oscylowały w okolicach 75 kW. A to daje w okolicach 2500 N (około 254 kg) siły stycznej na kole w maksymalnym momencie na pierwszym biegu. To zdecydowanie za mało, żeby motocykl sam chciał podnosić przednie koło, przynajmniej jeśli kierowca zajmuje normalną pozycję za kierownicą i jedzie sam. Nie mówię oczywiście o strzałach ze sprzęgła, bo tu dochodzą siły bezwładności rozpędzonego silnika. Pisząc „sam” mam na myśli sytuację, kiedy motocykl zaczyna podnosić przednie koło przy normalnie odkręcanym gazie. Jednak w miarę wzrostu mocy nagle okazało się, że ta jedynka jest na tyle krótka, iż siła na kole nie ma już wartości 2500 tylko 3000 N, a masa motocykla spadła o kolejne 20 kilogramów. Już na przykład Suzuki GSX-R 750 z 2000 roku sam bez proszenia przy 9000 obrotów podnosi koło do samego nieba.

Cóż robić żeby motocykl nie nakrywał kierowcy na pierwszym biegu? Wydłuża się przełożenie. Finał tego wyścigu zbrojeń jest taki, że ZX10R z 2006 roku na fabrycznych przełożeniach na pierwszym biegu jeździ prawie 170 km/h. Niestety obroty minimalne w silnikach spalinowych nie zmniejszają się. I o tyle, o ile na wolnych obrotach motocyklem we wczesnych latach 90 na pierwszym biegu można było jechać z prędkością 7 km/h to wspomniane wcześniej ZX10R 06’ na jedynce na wolnych obrotach jedzie 15 km/h. Poniżej tej prędkości, bez sprzęgła ani rusz.

Czym to się kończy?

 

Mamy do porównania ucywilizowaną 600 (ZX 636) dysponującą mocą na kole około 108 KM oraz wyścigowego litra, wspomnianą ZX10R dysponującą na kole mocą około 170 KM.

No to ruszamy. ZX6 na półsprzęgle jedzie przez pierwsze parę metrów – po osiągnięciu około 30 km/h można całkowicie już puścić sprzęgło a jego silnik kręci się z prędkością ok. 5000 obrotów na minutę. Co z kolei oznacza, że na kole jest już około 35 koni i kierowca może spokojnie wtedy sypnąć z garści i na pełnym ogniu kręcić do oporu.

A co z ZX10R? Żeby w ogóle ruszyć, trzeba ślizgać sprzęgło do 15 km/h. No, ale nawet od tych 15 km/h, silnik kręci się zaledwie 1000 obrotów na minutę. Mocy brak.

Ślizgamy się więc na sprzęgle dalej. Przy 30 km/h mamy wprawdzie już 2000 obrotów, ale mocy dalej nie widać, bo 15 koni to nie za wiele. Czyli na półsprzęgle dalej jedziemy do 70 km/h, a to około 4500 obrotów, no i wreszcie jakaś moc – okrągłe 45 koni… Puszczamy więc sprzęgło (z żalem patrząc na to, że ZX6 przy tej samej prędkości ma niestety już ponad 80 koni) i czekamy, co się stanie. Przez chwilkę nie dzieje się nic, bo co się ma niby dziać przy 45 koniach na kole, ale chwilkę później bo przy 110 km/h (tam gdzie 600 już osiągnęła max i od tej pory zawsze będzie miała tyle samo mocy) na kole mamy 90 koni czyli 2 razy więcej niż wcześniej, a przy 130 mamy już 115 koni i koło frunie w górę, a to dopiero początek. Moment dopiero zbliża się do swojej maksymalnej wartości, ale my już musimy zamknąć gaz, albo zmienić bieg bo nakryjemy się motocyklem i to przy 130 km/h.

Cały czas oczywiście mamy w pamięci że do 70 km/h jedziemy na półsprzęgle – i każde błędne puszczenie sprzęgła również kończy się nakryciem przez motocykl.

Zostawiłem długą czarną krechę, wyjeżdżając z ostatniego zakrętu w Poznaniu

 

Także owszem – w niektórych przypadkach duże wyścigowe motocykle są o wiele mniej przyjazne od ich mniejszych odpowiedników. I nawet można powiedzieć że ich zrywność jest mniejsza. Ale tylko przy małych prędkościach. Jednak to nie są motocykle do jeżdżenia wolno. A do 140 km/h to wciąż wolno. Powyżej można już poszaleć i dopiero tam widać moc drzemiącą w tym sprzęcie.

Przy 140 km/godzinę 600 już powoli zaczyna się pocić, a 1000 dopiero zaczyna życie. Nieraz widziałem, a nawet samemu zostawiłem długą czarną krechę spod koła przy tej prędkości, wyjeżdżając z ostatniego zakrętu w Poznaniu. Bo do tego właśnie taki motocykl służy.

I tam można też porównywać zrywność, kiedy odkręca się gaz do oporu przy 180 km/h, 600cc tylko krzyczy a 1000 przysiada tyłem i lekko szimując próbuje zrzucić kierowcę z siodła, by na końcu prostej startowej na liczniku pojawiło się 270…

Niech jednak nie cieszą się posiadacze sześćsetek jeżdżących po mieście, bo i tam wystarczy, że właściciel litrówki zmieni sobie przełożenia na łańcuchu lub (rzadziej) będzie potrafił operować sprzęgłem, a w wyścigu do 100 km/h szanse będą już równe. Choć kierowcę dużego sprzęta, nieumiejętne obchodzenie się z gazem wciąż kosztować może nakrycie się nogami i to prawie przy każdej prędkości. Żeby jednak naświetlić całą prawdę – sześćsetką jeździ się o wiele przyjemniej.

Rys. 3. Wykres siły stycznej na kole, oraz mocy na kole w trakcie zmiany biegów, w funkcji prędkości liniowej motocykla SUZUKI GSXR 750 2000r.

Wyraźnie widać, że na pierwszym biegu motocykl osiąga maksymalną moc dopiero przy 100 km/h. (Należy pamiętać, że na pierwszym biegu motocykl nie osiąga maksymalnej mocy na kole, bo jej część jest zużyta na rozpędzanie samego silnika.) Motocykl w okolicach 90 km/h zaczyna jednak gwałtownie podnosić przednie koło, ze względu na skokową wartość siły stycznej na kole. Starsze motocykle mają znacznie mniej niż 115 koni na kole w trybie dużej zmiany prędkości obrotowej, a mniej więcej tyle potrzeba, by przednie koło poszybowało w górę przy takiej prędkości. By nowsze motocykle tego nie robiły, przedłuża się przełożenie pierwszego biegu, tak by koło podnosiło się samo dopiero po przekroczeniu 100 km/h, ale traci się przez to na prędkości minimalnej.

Grundmaster – Produkcja i sprzedaż hamowni