Av Peter Sandström
Tänk på att t.ex. priser, adresser och telefonnummer nu kan vara inaktuella!
Idag vet man naturligtvis mycket mer om dimensionering av fjädrings- och dämpsystem till motorcyklar än vad man visste för 50 år sedan. Jag tycker att det är intressant att göra en jämförelse mellan Vincent och ett modernt fjädringssystem. Kanske går det att förbättra originalkomponeterna utan att ändra det yttre utseendet. Framför allt vore det intressant att undersöka vad som är fel med den av alla utdömda originalstötdämparen.
För detta behövs en analys av hur Vincents fjädring och kunskaper om dimensionering av fjädrings- och dämparsystem. Uppmätningar och beräkningar har jag gjort på egen hand med data som jag mätt upp på min egen maskin. Kunskaper och erfarenheter från modern teknik har hämtats från Lennart Larsson som till vardags arbetar med konstruktion av fjädrings- och dämparsystem hos Öhlins Racing.
Fram- och bakfjädring behandlas var för sig. Först analyseras rörelsegeometrin, sedan fjädring och dämpning. Följande områden behandlas:
- Krafter på fjädringssystemet (maskinvikt, viktfördelning, inverkan av förare och passagerare
...mm)
- Fjäderdata (längd, fjäderöreIse, fjäderkonstant (förhållande kraft/fjädring), materialspänning).
- Gaffelgeometri (utväxling mellan hjulrörelse och fjäder- respektive dämparrörelse).
- Dämpardata (dämpkonstant vid kompression och expansion)
De data som artikeln bygger på kommer från uppmätningar på min egen maskin, en Comet
Fjädrar
Fjäderdata har dels räknats fram med hjälp av SS 2389, Svensk standard för beräkning av cylindriska tryckfjädrar av rund fjädertråd, dels med uppmätningar i en enkel anord-ning där fjädrarna tryckt ihop med längdmätning och kraftmätning med en elektronisk badrumsvåg. Vågen har också använts för viktmätningar enligt tabell 1.
J ag har mätt två framfjädrar, dels de som satt i gaffeln vid köp, dels ett par nyanskaffade 16,5".
Bakfjädrarna har jag endast i originalutförande. Enligt Spare Parts List illustration M022 finns det tre trådtjocklekar till bakfjädringen, /0 med diameter 0,324" = 8,22 mm, /1 med diameter 0,300"=7,62 mm och /2 med diameter 0,276"=7,01 mm. Jag har /1 fjä-drar på min maskin.
Med fjäderben anges i tabellen nedan centrum avståndet mellan infästningshålen i det kompletta fjäderbenet.
2) 9 varv * 50, 2 varv * 48,5 och 2 varv * 47, de minde diametrarna 1 per st i resp ände.
3) Måttet avser längd på obelastat fjäderpaket. Stötdämparen har maxIängd 261 mm.
Skulle framgaffeln slå i botten blir påkänningen på den nya fjädern så stor att den sätter sig.
Diagram som visar fjädring som funktion av fjäderlängd visas i diagram 1.
Fig 1 Framgaffelgeometri
Framgaffeln har tjädrarna separat monterade mellan gaffelbenens nederdel och st yrhuvudets nedre länkarmslagring. När gaffeln rör sig sker hjulrörelsen på grund av gaf-felns fyrledsmekanism i en båge där hjulcentrum rör sig i en båge framåt uppåt bakåt, se tig 1. Fjädrarna arbetar i en vinkel i förhållande till fjädringsrörelsen på framhjulet som varierar beroende på nedfjädringen. Detta ger ett utväxlingsförhållande mellan fjäderrörelse och hjulrörelse. Att hjulet rör sig nästa vertikalt förklarar varför gaffeln inte trycks ihop speciellt mycket vid inbromsning med frambromsen. Bromskraften på axelcentrum riktas mot hjulrörelsen, inte med den som i fallet mer en telekopgaffel.
Fjädringsutväxlingen, dvs förhållandet mellan hjulkraft och hjulrörelse visas i diagram 2
Man ser tydligt skillnaden mellan fjädrarna. Ur diagrammet kan utläsas att fjädringskraften skiljer sig 200 N vid samma fjädringsläge eller att gaffeln precis böljar röra sig med de nya fjädrarna när den fjädrat ner halva fjädervägen med dom gamla fjädrarna. Nästa diagram visar fjäderkonstanten som funktion av nedfjädringen.
Progressiviteten är en fördel då en förhållandevis mjuk fjädring kan användas (komfort) utan att gaffeln slår i botten vid kraftig belastning. Den korta fjädringsvägen, 112 mm innebär begränsningar när det gäller hur låg fjäderkonstanten kan vara.
Mjukare fjädrar (lägre fjäderkonstant) kan ge problem med den ofjädrade vikten på 24 kg som ska bromsas upp av fjäderkraften när hjulet kör på en kant och studsar upp. Viktig är då avstämningen av dämpkraften vid kompression i hydrauldämparen (se nedan).
Viktig för fjädringskomforten är hysteresen, dvs inverkan av friktion i alla gaffelIeder vid fjädringsrörelse. Om gaffeln "står still" vid normal körning över små ojämnheter ska man inte skylla på styva fjädrar om förspänningen inte är så stor att gaffeln överhuvudtaget inte fjädrar in från sitt nedre stopp (helt utdragen dämpare).
Hysteres (friktion)
Trots att gaffelrörelsen känns tämligen friktionsfri med framhjulet avlastat och bort-tagna fjäderben kan en friktionskraft i hjulcentrum på c:a 30 N konstateras på min cykel. Detta ger en total hysteres (=skillnad mellan kraft upp och ner) på 60 N uppmätt vid obelastat framhjul och fjädrarna borttagna. Detta motsvarar en utebliven fjädringsrörelse på c: 3 mm i vardera fjädringsriktningen.
Vid normal gaffelbelastning ger dessutom den horisontella fjäderkraftkomposanten upphov till reaktionskrafter i gaffelbussningarna vilket ytterligare ökar hysteresen. När cykeln står på hjulen tom kan en vertikal hysteres på 12 mm mätas upp vilket är det dubbla värdet jämfört med obelastad gaffel. Gaffeln är nyrenoverad med bussningar med minimalt spel (0,01-0,015mm). Att lägga fjädrarna separat bredvid gaffellänkarna är dock en listig metod för att minimera friktionen som annars skulle uppstå om hela gaffelbelastningen skulle vidarebefordras via bussningarna.
iädringskomforten skulle säkert öka om friktionen kunde minskas. Idealiskt vore om nållager ersatte bussningarna, alternativt teflonbussningar med låg friktion. Jag har satt smöIjnipplar på alla bussningar. Gaffeln är mycket mjukare när den är nysmord, det lönar sig att smörja ofta.
Dämparen sitter mellan den övre gaffelkronan och den undre gaffellänken. Mekanismen i framgaffeln ger en varierande rörelseutväxling mellan vertikal fjäderrrörelse och dämparrörelse. Geometrin framgår av Fig 2. På samma sätt som för fjädringen ger detta ett utväxlingsförhållande mellan dämparrörelse och hjulrörelse. Utväxlingen är som störst vid måttliga nedfjädringar vilket innebär att dämpkraften då blir förhållandevis låg i förhållande till när nedfjädringen är större. Dämpningen måste avpassas till normalfjädringsläget och tillåtas öka vid stora fjädringar.
På Vincent har man byggt ihop hjul-sving med skärmar och skärmstag och via en friktionslänk till bakkanten på sadeln som i framkant är ledat infästad i bakkant på oljetanken. Detta medför att sadeln tillsammans med förare och passagerare delvis utgör ofjädrad vikt. Detta medför mindre variation i fjädringsbelastning, dels ökar energin av den ofjädrade vikten som dämpsystemet ska ta hand om. Figuren ovan visar läget på svingen max utfjädrad, i "normalläge" och max infjädrad.
Det finns några detaljer som gör bakfjädringen i standardutförande mindre bra:
- Den tillgängliga slaglängden på fjäder-dämparrörelsen utnyttjas ej effektivt.
- Fjädrarna är inbyggda utan förspänning vilket kräver förhållandevis styva fjädrar
..(stor fjäderkonstant) för att de inte ska bottna vid stor belastning.
- Det tillgängliga utrymmet har ej utnyttjats effektivt för att få in en så lång fjäder som möjligt.
Dämparens slaglängd (min 183 mm, max 261 mm, slaglängd 78 mm) medger en fjä-dringsrörelse från -6,6 grader till +8,5 grader (ihoptryckt). Detta ger en hjulrörelse i vertikalled på c:a 120 mm.
Fjäderpaketet på min maskin har en fri längd på 230-240 mm beroende på hur mycket fästöronen skruvas in i fjäderfästena. Det fattas alltså 20-30 mm i fjäderlängd för att utnYttja dämparslaget maximalt.
Studerar man bilder på Vincentmaskiner kan man mäta baksvingens vinkelläge. Mina mätningar visar att svingen intar allt från c: -2 grader till några grader plus. Min cykel har nästan horisontell sving på hjul utan förare. Det innebär att inemot halva slaglängden är förbrukad innan cykeln börjar belastas statiskt och dynamiskt. Resterande slaglängd är c:a 68 mm. På denna korta sträcka växer fjäderkraften på hjulcentrum från egenviktbelastning på c:a 91-30,5 =60,5 kg till 270 kg. Det är inte konstigt att bakfjädringen stöter på ojämnt underlag!
På grund av avsaknaden av förspänning åtgår c:a 25 mm av fjädringsvägen för att ge en fjäderförspänning som motsvarar egenvikten. Man skulle i stället med en förspänd fjäder ta en del av denna fjädringsrörelse och skapa ett större aktivt fjädringsområde.
Diagram 7 nedan visar förhållandet mellan fjäderkraften på bakhjulet och nedfjädringen på bakhjulet.
Stötdämparen ska dels dämpa gaffe]Jbaksvingrörelsen lite när fjädringen trycks ihop, dels dämpa returrörelsen när fjäderkraften trycker gaffeln tillbaka. Kompressionsdämpningen får inte vara för stor, då blir gaffeln stötig. Ett normalvärde är c:a 1/4 av returdämpningen men den kan även vara mindre än så.
Returdämpningen avpassas efter fjäderkraften och den ofjädrade vikten
Vincents stötdämpare är uppbyggda som konventionella dubbelrörsdämpare. Funktionsbeskrivning fmns i Riders Handbook
Eftersom kolvstrypningen verkar lika i bägge riktningarna kan inte retur dämpningen bli större än kompressionsdämpningen, om bottenventilen ger extra strypning blir det i stället tvärt om.
Här finns alltså ett konstruktionsfel som måste åtgärdas om funktionen ska bli den rätta.
När jag satte ihop mina dämpare efter byte av o-ringar visade det sig omöjligt att undvika att få dom att fungera utan att man fick ett område med glapp i dämpkraften, speciellt när kovstången var utdragen max och skulle tryckas ihop. Trots fyllning enligt konstens alla regler verkade det som om dämparen sög in luft som blandades med oljan.
Mysteriet löstes när strypbrickan i bottenventilen undersöktes. Den hade ett hål på 1,4 mm. Styphålet i kolven är 1,2 mm och dessutom några mm långt. Bottenstrypbrickan gav ej tillräckligt motstånd vid kompression och oljan kaviterade på kolvstångsidan, dessutom kunde luft sugas in bakvägen via dräneringen vid kolvstångsbussningen. En bottenstrypbricka på 1 mm löste problemet helt och glappet försvann. J ag vet ej om bottenstrypbrickan var original, jag tvivlar på detta. Hur som helst, det är viktigt att bottenstrypningen ger större motstånd än kolvstrypningen vid kompression. Om kompressionsdämpningen ska minskas med en större bottenstrypning måste strypningen i kolven också borras upp. Då försvinner returdämpningen också. Mer om detta längre fram.
Kolvstångstätningen med o-ringar har kritiserats av bl.a. E.M.G. Stevens. Det fmns dock ingen anledning att döma ut denna lösning. Möjligen kan man behöva komplettera med en avskrapar-ring. Ett modernt alternativ är den så kallade X-ringen som ger en effektiv tätning kombinerad med låg friktion. En sådan ringtyp sitter som oljetätning i den modifierade ventilstyrningen som finns till Vincentmotorn. Man kan också förse kolven med en kolvring av teflon för att minska friktionen
En brist är att kolv-kolvstång består av ett material med för låg ythårdhet. Kolvstänger tillverkas normalt i hårdförkromat stål för största slitstyrka. Kolvstängerna i Vincentdämparen är inte hårdare än att de går lätt att fila i. Ju större skillnad i hårdhet mellan två material, desto bättre slitstyrka....
Modifiering av stötdämparen
Grundfelet ur funktionssynpunkt är att den inte fungerar som dagens hydrauldämpare gör, dvs med en måttlig kompressionsdämpning och betydligt kraftigare returdämpning.
I kolvstången sitter en backventil som består av en hålskruv som är ingängad i kolvstågsänden. Mot hålskruven sitter en bricka med ett litet hål i mitten. Brickan hålls på plats av en fjäder med mycket låg fjäderkraft.
När kolven pressas ner i cylindern lättar brickan från hålskruven och oljan strömmar obehindrat förbi brickan vidare till den smala borrade kanalen i kolven. Denna strypning bestämmer hastigheten på oljan. (Egentligen är det strypningen i bottenventilen, se ovan, man kan gärna borra upp hålet i passagen genom kolven)
När kolven dras ur cylindern tätar bricka mot hålskruven och endast hålet i brickan släpper igenom oljan. Nu kan returdämpningen bestämmas av hålbrickan i kolven och kompressionsdämpningen av hålbrickan i bottenventilen. Kanalen i kolven ska bara vara tillräckligt stor i förhållande till bottenbrickan för att inte ge kavitation och baksug vid ihoptryckning.
Simsalabim! En helt ny dämpare!
Man får experimentera med håldiametern på brickorna. De ska dessutom vara olika fram och bak för att vara avstämda med fjäderkrafterna. Jag har provat lite olika håldiametrar i kolvbrickan, det är fråga om små hål mellan 0,5 och 1 mm. Det gäller att vara rädd om borrarna, som är som synålar. Jag har gjort brickorna i mässing, ett par mm tjocka för att inte fastna i gängorna i kolv-väggen som gängats för hålskruven. Det krävs lite tålamod och blir lite oljekladd men resultatet blir desto bättre, en modent fungerande glappfri dämpare som nästan är original.
PS
En enkel metod att fylla olja om man ändå har isär dämparen är att montera kolv och innerrör, fylla upp innerröret över och under kolven helt, trycka dit locket, fyll efter halvvägs mellan ytter- och innerrör och gänga på locket med tätringarna. Detta går mycket fort om man håller på och experimentera. När allt är klart kan man täta med gängloctite.
DS
Sören Skoog