Kde sa podel jeden čap? Alebo je tvoj bicykel naozaj tuhý?

Možno si myslíte, že máte tuhý rám, to znamená, že sa neohýba pri zaťažení. Toto tvrdenie vám posúva samotný výrobca. Kde sa však podel jeden čap v prípade mnohých moderných bicyklov?

Ako je možné, že ich zadné odpruženie vôbec funguje? Poďme sa pozrieť na mechanizmy odpruženia zadného kolesa, kedy sa cielene využíva prirodzené pruženie materiálu.

História využívania flexie materiálu pri odpružení zadného kolesa

Dobre sa pozrite na nasledujúci rám, nepripadá vám tam niečo zvláštne?

Pozornému oku neunikol detail, a to, že tento rám, nemá v zadnej stavbe mechanizmu odpruženia žiadne otočné miesto- čap (väzbu). Drvivá väčšina celoodpružených rámov spolieha na mechanizmus odpruženia zadného kolesa, ktorý sa skladá z istých prvkov (rúrok a čapov povedzme). Mechanizmus prenáša pohyb zadného kolesa na pohyb, pri ktorom sa stláča tlmič. Mnohí z nás takýto bicykel doma máme. Keby ste však dali dole tlmič, a stláčali odpruženie a sledovali, ako veľmi sa pri tomto pohybe otáčajú čapy, zistili by ste, že v mnohých riešeniach rámov sa čapy takmer ani neotáčajú, prípadne len o niekoľko stupňov (najmä v prípadoch, ak máte čap pri oske zadného kolesa). Na čo tam ten čap ale je? Aj keď sa čap príliš neotáča, bez neho by sa mechanizmus odpruženia nepohyboval, alebo by sa nemal hýbať.

A teraz prichádza tá pointa: Niekomu napadlo, že keď sa v daných prípadoch čap pri kolese veľmi nehýbe, čo ak by sme ho tam vôbec nedávali? A odpoveď je jasná: rúrky na bicykli nie sú úplne odolné voči deformáciám, ak daný čap konštruktéri vynechajú, systém bude fungovať, aj keď by teoreticky nemal. Rám sa tak pod zaťažením ohýba.

Mimochodom, bicykel z predošlého obrázka je vyrobený z titánu a poskytuje zdvih cca 70 mm, pritom nemá absolútne žiadny čap či ložisko, technicky vzaté väzbu... Ďalšia otázka, ktorá sa samozrejme vynára technicky zdatnému čitateľovi, je: „a keď sa ten rám deformuje, kde sa deformuje?“ Tak si to najprv vysvetlíme, ideálne na obrázku.

Na obrázku vidíme mechanizmus odpruženia zadného kolesa. V tomto prípade sa skladá z dvoch členov. Z čierneho vahadla, stláčajúceho tlmič a zo šedej zadnej stavby. Tieto dva členy sa stretávajú v jednom spoločnom bode- vrchný bod vahadla. A teraz si to predstavme. Ak je ten bod je na strane vahadla, jeho polomer otáčania je veľmi malý, ak je na strane zadnej stavby, je tento polomer naopak veľký. Ak si predstavíme tieto dve kružnice, je evidentné, že je medzi nimi rozdiel, spoločný bod tak chce konať rozdielnu dráhu podľa toho, či je na strane vahadla alebo zadnej stavby. Na to, aby sa mechanizmus pohol, je nutné, aby sa jedna časť mechanizmu podvolila - „uhla“ druhej. Teraz predpokladajme, že to vahadlo je dostatočne tuhé a nedochádza k jeho výraznej deformácii. Ohýbať sa tak bude rúrka zadnej stavby smerujúca od osi zadného kolesa k vahadlu a to tým spôsobom, aby vždy spoločný ležal na kruhovej dráhe vahadla. Na danej rúrke tak bude dochádzať k istej deformácii po celej dĺžke, aby sa vykryl spomínaný rozdiel dvoch dráh spoločného bodu.

Takto sme si vysvetlili, prečo deformácia vzniká, a kde vzniká. Rozlíšiť sa však dajú dva prípady. V spomínanom prípade sa deformovala rúrka na celej dĺžke od osi kolesa po vahadlo. Existuje však aj prístup, kedy je rám cielene v istom mieste zoslabený. V tomto prípade je väčšina deformácie sústredená v danom mieste. Príklad takého rámu možno vidieť na nasledovnom obrázku, kde vidíme, že je cielene zoslabená šedá časť zadnej stavby, v prípade ak by tam bol čap, miesto by bolo výrazne hrubšie.

Ak vás táto problematika zaujala a nebojíte sa ísť trošku hlbšie, prečítajte si nasledovnú kapitolu. Pokiaľ sa však chcete detailom vyhnúť, choďte rovno na kapitolu „Prečo to celé robíme?“

Ujasnime si pojmy a dojmy

Pre začiatok je dobré si najprv ujasniť si nejaké pojmy. Pre tieto odborné termíny by sa dalo samozrejme nájsť nespočet rôznych definícií, tu však budú vysvetlené v kontexte s článkom, ktorý sa venuje využívaniu pružného prvku alebo prvkov v mechanizme odpruženia zadného kolesa horského bicykla.

Mechanizmus odpruženia

Pri celoodpruženom bicykli je zadné koleso spojené s hlavným rámovým trojuholníkom pomocou sústavy vzpier (rozumej rúrok) a väzieb (rozumej čapov), na ktorých je tiež uchytený tlmič. Mechanizmus odpruženia má za úlohu sprostredkovať pohyb zadného kolesa smerom nahor (okolo prekážky) pri súbežnom stláčaní tlmiča. Väzby sú realizované ako rotačné uloženia, kedy sú vzpery spojené čapom, ktorý je v spoji obkolesený ložiskami. Pri niektorých typoch odpruženia sa používa aj posuvná väzba, ale jedná sa o veľmi zriedkavý prípad. Mechanizmus odpruženia má vždy jeden stupeň voľnosti.

A teraz čo to znamená, že má jeden stupeň voľnosti? Všeobecne môžu mať pohyblivé mechanizmy viacero stupňov voľnosti, stupeň voľnosti je schopnosť prvku mechanizmu konať pohyb (v 3D priestore sú to 3 posuvné a 3 rotačné pohyby). Prvok mechanizmu tak môže konať 6 rôznych pohybov zároveň, úlohou väzieb v mechanizme je tieto rôzne pohyby eliminovať a dosiahnuť tak cielený výsledok. Tak napríklad: ak dve rúrky spojím rotačnou väzbou - čapom, jedna voči druhej sa už nemôžu posúvať, to sú 3 eliminované pohyby. Jediné, čo môže jedna rúrka voči druhej robiť, je otáčať sa v jednom smere, to znamená, že sa eliminovali aj ďalšie 2 pohyby - rotácie. Výsledok je 1 možný pohyb - otáčanie v jednom smere. Tento mechanizmus má jeden stupeň voľnosti. Každý mechanizmus odpruženia zadného kolesa má jeden stupeň voľnosti, teda sa môže pohybovať len jedným smerom a môže vykonávať len jeden komplexný pohyb.


Ako to však funguje? Aby mal mechanizmus jeden stupeň voľnosti, musí byť splnená istá podmienka. A to, že počet telies a počet väzieb v mechanizme musí byť vždy v istom pomere, inak by sa vám jednoducho mechanizmus odpruženia nepohol. Je teda nutné voliť počet vzpier a čapov v istých pomeroch, pričom je nutné si uvedomiť, že mechanizmus odpruženia rámu sa zjednodušuje na 2D mechanizmus, to znamená, že ak máte na ráme pri zadnom kolese na oboch stranách väzbu s čapom, pričom tieto väzby majú zhodné osi otáčania, berú sa ako jedna (pri posudzovaní pohyblivosti mechanizmu).

Pomer počtu vzpier a čapov potrebných na to, aby sa mechanizmus odpruženia hýbal, môže byť len takýto:

• Jednočapové riešenia - majú jednu vzperu a jednu väzbu
• Štvorčapové riešenia - majú tri vzpery a štyri rotačné väzby, do tejto kategórie môžeme zaradiť cca 95 % odpružených bicyklov, z pohľadu mechanizmu je jedno, ako sú vzpery a väzby usporiadané. Takže nie je pravda, že systém Horst link, DW link, VPP, Split pivot prepákovaný jednočap a neviem čo ďalšie sú nejakým spôsobom jedinečné...sú to jednoducho štvorčapy...a kto by ma chcel presvedčiť o opaku, nech mi kúpi pivko a môžeme sa o tom pobaviť. Rozdiely v nich sú možnosti, akými sa dajú upraviť navrhované charakteristiky odpruženia (to poznáte - anti squat, anti rise, pedal kickback...)
• Päťramenné mechanizmy - ktoré napríklad môžeme vidieť u nových zjazdových bicyklov od značiek Specialized (u „Spešlu" to má aj endurko) a Canyon. Tento typ odpruženia má päť vzpier a sedem rotačných väzieb.

S týmto zoznamom by sa dalo pokračovať kľudne ďalej, ale ďalšia kombinácia je sedem vzpier a desať väzieb, takúto šialenosť už ale na bicykloch neuvidíme, iba že by sme uvideli...Vidíme však, že počet vzpier a čapov vôbec nie je náhodný. V ďalších kapitolách sa však dozvieme, že tomu tak nemusí byť.

Tuhosť

Tuhosť je veličina, ktorá udáva, ako veľmi sa niečo pri istom zaťažený zdeformuje. Môžeme rozlišovať dve typy tuhostí. Tuhosť materiálu samotného a tuhosť konštrukcie (rámu). Tuhosť materiálu je konštanta, s tým sa nič nedá urobiť. Charakterizuje sa pomocou veličiny Youngov modul [GPa] a jeho exaktná definícia sa dá preložiť ako pomer medzi napätím v materiále a príslušnou deformáciou. Tuhosť konštrukcie sa dá vysvetliť podobne, opäť je to pomer medzi zaťažením a odpovedajúcou deformáciou, v tomto prípade už prenesenou na celok. Tuhosť konštrukcie však okrem zvoleného materiálu záleží najmä na geometrii konštrukcie - rámu. Geometria rámu (priemer steny rúrok, hrúbka steny rúrky...) ovplyvňuje rozloženia napätia a tým pádom aj deformácie.

Môžu tak nastať dva extrémne prípady. Prvým je rám, ktorý je z najtuhšieho materiálu (oceľ), ale rám spravím z tenkých rúrok. Rám sa aj napriek tomu bude ohýbať. Druhým prípadom je, že si zvolím málo tuhý materiál - napríklad drevo a rúrky navrhnem s poriadnym priemerom a hrúbkou steny, tiež využijem rôzne doplnkové vzpery. Výsledkom bude tuhý rám, ktorý sa pri zaťažení ani nepohne.

Pevnosť

Pevnosť je veličina, ktorá udáva, koľko toho materiál znesie, kým dôjde k istému porušeniu. Miera pevnosti je vo väčšine prípadov daná veličinou nazývanou medza pružnosti [MPa]. Ak sa materiál zaťaží nad túto medzu, deformácia už nebude elastická, ale plastická, teda trvalá a materiál ostane deformovaný aj po odstránení záťaže, prípadne dôjde k jeho lomu (napr. karbón nemá medzu pružnosti, len medzu pevnosti, ak ho zaťažíme nad túto medzu, poruší sa). Rám z pevného materiálu znesie oveľa viac zaťaženia ako rovnaký rám z menej pevného materiálu. Prečo si však mýlime pevný a tuhý rám? Pretože spolu veľmi úzko súvisia. Spoločným menovateľom je geometria rámu. Ak rám zaťažíme, vytvoríme tak v materiáli isté napätie (tlak), toto napätie nezáleží na ničom inom, len na veľkosti zaťaženia a geometrii rámu. A teraz:

• Napätie a deformácia spolu veľmi úzko súvisia (vo fyzikálnom ponímaní hovoríme o Hookovom zákone). Tuhý rám je geometricky navrhnutý tak, že sa bude deformovať čo najmenej.
• Vzniknuté napätie sa porovnáva voči medzi pružnosti. Pevný rám je geometricky navrhnutý tak, že nedôjde pri zaťažení k vytvoreniu takého napätia, aby túto medzu prekročilo, prípadne sa k nej len priblížilo.

Aký bicykel teda máte? Ak vám zrovna nepraskol alebo nezlomil sa, máte pevný a tuhý rám zároveň. Ak by tuhý nebol, verte či nie, asi by ste neodjazdili ani flow trail, čo máte za domom. Ak by nebol pevný, platilo by to isté. Ako teda pojmy používať? Predstavme si samých seba v bikeparku. Ideme sa previesť a zrazu sa mi pod rukami zlomí bike, pri bežnej jazde, potom bol asi málo pevný (zlá geometria rúrok + zlý materiál). Druhá možnosť je, že sa idem previesť a pri prejazde rozbitých úsekov cítim, že sa mi bike pod rukami akosi čudne hýbe, potom je asi málo tuhý (opäť za to môže zle zvolená geometria alebo materiál). Neexistuje tak nič, ako len tuhý alebo len pevný bike. Tuhosť používam pri definovaní toho, čo mi bike robí pri prejazde rozbitých úsekov a preťažení. Pevnosť používam, ak hovorím, že mi niečo nevydržalo pri jazde a prasklo/ohlo sa to. Koniec ku krátkemu vstupu z odboru mechaniky telies, poďme späť k pružným rámom...

Prečo to celé robíme?

Spomínané pružné rámy sú navrhnuté tak, že sa pri zaťažení ohýbajú. Je to docielené zámernou zmenou geometrických vlastností rúrok, takto navrhnutá rúrka je potom menej tuhá - poddajná a teda podľa potreby vykrýva pohyb mechanizmu odpruženia. Živo mám však v pamäti scénu z istého nemenovaného filmu: „a komu tím prospejete co?!“ Dôvodov je viacero:

• Hmotnosť. Ak vynechám jednu väzbu v mechanizme odpruženia. Dôjde poklesu hmotnosti a to hneď z niekoľkých dôvodov. Po prvé, spoj rúrok môže vyzerať jednoduchšie, všimnite si na svojom bicykli, kde sú rúrky spojené čapom, ako vyzerá daný spoj, rúrka v mieste spoja vyzerá odlišne, spravidla je materiálu v mieste spoja viac, aby rám vydržal zaťaženie, ktorým je vystavovaný. Po druhé, ušetrím hmotnosť samotného čapu, aj keď je vo veľkej väčšine prípadov hliníkový, niečo váži. Po tretie, takmer jedinou súčasťou na bicykli, ktorá je z ocele, sú ložiská, síce nie sú veľké, nie sú ani príliš ľahké. Ak ich vynechám, ušetrím si slušnú porciu gramov. Zväčša sa vynecháva väzba pri oske zadného kolesa, tu sú ložiská na oboch stranách rámu (kolesa), teda ušetrená hmotnosť je zdvojnásobená.
• Menšie namáhanie tlmiča. Tlmič na bicykli má viacero funkcií, jednou z najdôležitejších je absorbovanie energie nárazu, pričom táto energia sa stratí, keď olej v tlmiči preteká systémov kanálikov - planžiet. Odborne tomu hovoríme, že energia sa disipuje, ak by sa nedisipovala, tak by dochádzalo ku kmitavému pohybu zadnej stavby, ktorý by sa len ťažko zastavil (napr. keď máte veľmi rýchly odskok, viete, čo to robí, tlmič kým sa ustáli, párkrát sa „pohúpe“ - vtedy tlmič disipuje energie málo, keď máte odskok pomalý, energie disipuje viac a pohyb tlmiča, respektíve zadnej stavby sa rýchlo ustáli). Okrem toho z hľadiska mechaniky tlmič obsahuje aj pružinu - buď vzduchovú alebo vinutú. Tuhosť pružiny je daná vinutím, respektíve tlakom v tlmiči. Príliš vysoký tlak v tlmiči spôsobuje, že sa tesnenia viac opotrebúvajú a teda ich je potrebné častejšie meniť. Ak pri chode zadnej stavby dochádza k deformácii rúrky, tento jav funguje rovnako ako pružina. Deformácia rúrky pomáha tlmiču v tom zmysle, že nie je potrebné mať tlmič príliš nafúkaný, pretože na vytvorenie deformácie je potrebné vynaložiť istú silu, ktorú už tlmič nemusí zachycovať. Čo mu samozrejme pomáha. Do extrému doviedla túto technológiu firma Felt, kde na svojom bicykli využila túto technológiu, a to tak, že zadnú stavbu v neutrálnej pozícii napružila, ale do druhej strany. To znamená, že deformácia pri chode pruženia mení svoj smer. Kým stlačenie pruženia dosiahne cca hodnoty SAGU, deformácia v rúrke sa mechanizmus odpruženia snaží stlačiť. Keď zdvih prejde hodnotu SAGU, deformácia má opačný smer a tentokrát kladie stláčaniu odpor. To, že deformácia zo začiatku pomáha stláčať tlmič, má jednu veľkú výhodu - citlivosť tlmiča na malé prekážky. Viac sa o tom môžete dozvedieť na tejto stránke.
• Servis. Je to jednoduché, okrem toho, že sa tlmič tak nenamáha z dôvodov uvedených vyššie, je tu ešte jedna výhoda. Ak sa v mechanizme odpruženia vynechá jedna väzba, s čapom, ložiskami atď...nie je v tomto spoji čo servisovať, hrdzavieť, praskať, pretože ten spoj tam proste nie je.
• Prestíž. Asi ste si všimli, že v dnešnej dobe sa bicykle od rôznych značiek na seba veľmi podobajú. Nájsť niečo odlišné je ťažké. Preto, ak firma dokáže prísť s touto technológiou a mať ju dobre zvládnutú, je to pre ňu len plus, pretože sa odlíši od konkurencie.

Typy bicyklov bez čapu

Nahradiť jednu väzbu sa dá u veľmi veľa rôznych bicyklov s rôznymi systémami, začnime však najjednoduchším:

• Jednočap. Do tejto kategórie spadá rám, ktorý bol ukázaný vyššie v článku. Nemá žiadnu otočnú väzbu a poskytuje pohodlných 70 mm zdvihu.
  
  
  
  Schválne som tu neuvádzal rôzne „trošku“ odpružené hardtaily, tých sa dá nájsť tiež viacero, tiež nemajú žiadnu väzbu, poskytovaný zdvih je však skoro zanedbateľný
.
• Štvorčapové riešenia. Týchto riešení je v tejto kategórii veľmi veľa. Čo je však nutné povedať, ak máme systémy odpruženia ako prepákovaný jednočap (väzba je nad oskou zadného kolesa) a horst link (väzba je pred oskou zadného kolesa), vynechaním jednej väzby už nie je možné rozlíšiť, o aký systém pôvodne šlo. Týchto riešení je naozaj mnoho, stačí sa pozrieť, na akých bicykloch jazdia na svetovom pohári v XCO a zistíte, že dominantná väčšina rámov túto technológiu využíva. Ako sú však na tom bicykle s trošku vyšším zdvihom? Ako príklad nám môže slúžiť rám od značky Felt Edict, predstavený pred pár rokmi, ktorý poskytuje zdvih 100 mm.

Systém vynechania jednej väzby však neminul ani riešenia mechanizmu DW link (dve krátke vahadlá). Predstaviteľom tejto značky je značka Spot s bicyklom Mayhem, ktorý poskytuje až 150 mm zdvihu.

Dá sa predpokladať, že tu nastane ešte istý vývoj. Ako inak v dnešnej dobe skresať výrazne hmotnosť rámu? Prečo však tento systém nevidíme napríklad na zjazdových a enduro rámoch? Dôvodov môže byť viacero. Prvým je, že zámerným zoslabením rámu s cieľom deformácie vnášame do rámu slabé miesto, ktoré pri extrémnom zaťažení v zjazde a endure môže časom povoliť. Pri vysokozdvihových rámoch by deformácia prvku bola značná, čo tiež neprihráva spoľahlivosti rámu. Druhým dôvodom je, že tých ušetrených pár gramov nikoho v tejto disciplíne až tak nezaujíma, väzby v týchto rámoch nie sú slabým miestom rámu, nakoľko sa využívajú väčšie ložiská a iné technológie, ktoré miesto väzby dostatočne vystužujú (tento prípad porovnávam s XC rámami, kde sú ložiská vo väzbách malé). Tretím dôvodom je samotný chod rámu.

V poslednej dobe vidíme takzvané HIGH SINGLEPIVOT riešenia mechanizmu odpruženia v zjazde, ale už aj v endure. Dôvodom tohto riešenia je ideálna trajektória kolesa pri stláčaní pruženia, táto trajektória je samozrejme prevažne vertikálna, viditeľne sa však koleso od rámu vzďaľuje smerom dozadu - celkový pohyb je tak šikmo hore od rámu. Keď koleso pri pružení nejde smerom dopredu ale dozadu, je to pre chod pruženia a celkový pocit z jazdy vhodné. Ak by sme však navrhovali systém s deformujúcou sa rúrkou, tak dôležitú trajektóriu kolesa by bolo ťažšie predpovedať, nehovoriac o určovaní charakteristík pruženia, ktoré vychádzajú z klasických riešení odpruženia - tieto veličiny by sa tak asi len odhadovali, čo nie je úplne OK.

Moderné riešenia

Budúcnosť riešenej technológie je podľa môjho názoru práve v segmente XC, prípadne TRAIL. Osobne by som sa trošku obával jazdiť na endure, ktoré má takýto prvok. Technológia môže nájsť uplatnenie tiež v „trošku“ odpružených hardtailoch, prípadne mierne odpružených cesťákoch. Uvidíme, kde sa posunieme.

Na záver by mi však nedalo bližšie sa nepozrieť na dielo zo stajne TREK. Jedná sa pravdepodobne o najextrémnejšie využitie technológie pružiaceho rámu. Svoj systém odpruženia nazývajú IsoStrut. Zadná stavba je v tomto prípade len z jedného kusu materiálu. Mechanizmus odpruženia má jeden hlavný čap. Okrem neho je systém doplnený o „klzák“, ktorý nahradzuje funkciu rotačnej väzby (čisto mechanický pohľad), tento klzák zároveň stláča tlmič. Ak by sme si však takýto rám s klzákom chceli obstarať v klasickom prevedení (veľmi podobný systém ako majú bicykle YETI), mal by systém tri vzpery a štyri väzby. Daný systém má väzby len dve, vzperu len jednu. Čo to ale znamená, v predchádzajúcich prípadoch deformácia rúrky nahrádzala rotačný pohyb, čo by vykonala väzba s čapom, výsledkom bol v podstate jednoduchý ohyb rúrky. V tomto prípade však chýbajú väzby dve. Deformácia je tak rozložená komplexne do sedlových vzpier (horné rúrky zadnej stavby), pričom tvar deformácie je už viac komplexný, to môžete vidieť aj z videa nižšie. Rám tak poskytuje 60 mm zdvihu, čo je pravdepodobne na XCO dostačujúce. Takéto prevedenie však výrazne skresalo hmotnosť rámu.

Ak ste došli v článku až do tohto miesta, ste naozajstní technickí nadšenci. Snáď vám tento článok trošku rozšíril obzory, nakoľko sa venoval porozumeniu cyklistických rámov z hľadiska mechaniky telies, niektoré slovné spojenia tak neboli pre nás bikerov úplne štandardné. Čo si však z článku vziať? Hneď by vám mohlo napadnúť ísť si spočítať počet vzpier a väzieb v mechanizme odpruženia vášho biku. Dôležité si je však uvedomiť, že technologický svet bicyklov nestagnuje, je naozaj zaujímavé sledovať, s akým „psím kusom" prídu konštruktéri nabudúce a ako posunú technológiu zase o krok ďalej.

Pre naozajstných technických nadšencov pripájam odkazy na veľmi užitočné stránky, ktoré mi poradil kamarát, čo sa venuje odpruženiam bicykla:

• o prevedeniach mechanizmov odpruženia zadného kolesa, charakteristikách pruženia sa toho veľmi veľa dozviete tu
• dokonca sa dá stiahnuť software, kde si mechanizmy môžete skúsiť vyrobiť, prípadne otestovať už existujúce