Miksi ja miten moottoripyörä kääntyy?

Kysymys siitä miksi moottoripyörä kääntyy nousee aina silloin tällöin esiin motoristien keskuudesta. Jollakulla on asiasta hyvä käsitys mutta toisinaan asiasta kehkeytyy väittely tai jopa sota ilman sen kummempia taustatietoja.

Asian selvittäminen kansantajuisesti on moottoripyörän ajomekaniikan monitahoisuuden takia mittava urakka. Emme tässä puutu jousitukseen, ilmanpaineisiin, massakeskipisteen muutoksiin tai kuskin liikkeisiin satulassa, rata-ajon kikkoihin tai hitaisiin nopeuksiin. 

Tiedonjanoisemmat marssikoon vaikka kirjastoon. Teknillis-akateemista keskustelua tärkeämpää motoristille on hallita moottoripyörän ohjaaminen käytännössä kuin osata kirjoittaa aiheesta 25 sivun tutkielmaa.

Moottoripyörän saa kääntymään periaatteessa kahdella tavalla - vastaohjauksella tai painonsiirrolla. Vastaohjaus on nopea tapa, painonsiirto hidas. Käytännössä edistynyt motoristi käyttää kumpaakin. Tosin harva kokenutkaan motoristi tietää tarkkaan mitä tekee - tarina kertoo rr-kuskista, joka ei uskonut vastaohjaukseen ennen kuin oli käynyt kokeilemassa radalla. 

Maantienopeuksissa kuskin hommana on siis suistaa peli mutkaan, mahdollisesti muuttaa kaartosädettä ja lopulta ohjata kaarroksesta pois. Pyörän geometria ja paino- yms. voimat hoitavat sen varsinaisen suunnan muuttamisen. 

Kuva 1. Eturenkaan kosketuspinta [Ae], keulakulma [alfa], etujättö [pisteiden Ae ja B väli], ohjausakseli [suora BC]. Ohjausakselin kulmaa ei ole merkitty kuvaan.

Moottoripyörän ohjausgeometriasta ja terminologiasta

Ohessa on yksinkertainen sivukuva moottoripyörän ohjausgeometriasta. Etujättö saadaan mitattua mittaamalla eturenkaan kosketuspisteen ja ohjausakselin suuntaisen suoran väli (kuva 1, pisteiden Ae ja B väli). 

Keulakulmalla (kuva 1, kulma alfa) tarkoitetaan usein samaa asiaa kuin ohjauskulmalla eli ohjausakselin kulmalla (kuva 1, suora BC). Ns. "katupyörissä" nämä ovatkin yleensä samoja. Monissa customeissa on säädettävät tai vaihdetut t-kappaleet, joten keulakulma voi olla eri suuruinen ja useimmiten suurempi kuin ohjausakselin kulma. 

Etujätön vaikutus ohjaukseen 

 

Sopivaksi etujätöksi mitataan yleensä 5 - 10 senttiä, oikea arvo riippuu mm. etu- ja takarenkaan profiilista, tai kartiokkuudesta, sekä joustovaroista. Pieni etujättö tekee pyörästä ketterän. Liian pieni tai negatiivinen etujättö (etujättö on negatiivinen jos kuvan 1 piste B olisi pisteen Ae takana) on kuitenkin erittäin epästabiili ja potentiaalisesti hengenvaarallinen suuremmilla nopeuksilla koska eturengas pyrkii kaatumaan pyörän alle. Liian suuri etujättö tekee pyörästä vauhdissa ylivakaan maantiejunan ja hitaissa nopeuksissa raskaan hallita. Säädettävillä T-kappaleilla etujätön voi säätää mieleisekseen.

Kuva 2. Takarenkaan kosketuspinta [At], eturenkaan kosketuspinta [Ae]. Kun paikallaan ja pystyssä olevan moottoripyörän ohjausta käännetään vasemmalle eturenkaan kosketuspiste siirtyy alkuperäiseltä suoralta linjalta oikealle matkan [X]. Samalla eturengas kallistuu pystyakseliin nähden vasemmalle.

Kun tutkii moottoripyörän ohjausgeometriaa (kuva 1) huomaa, että kun eturengasta käännetään vasemmalle sen kosketuspiste (kuvissa piste Ae) siirtyy suoraan linjaan nähden oikealle (kuva 2). Etujättö vaikuttaa tämän siirtymän pituuteen oleellisesti. Tätä eturenkaan kosketuspinnan sivuttaissiirtymää voi testata paikallaan, moottoripyörä kaatuu sille puolelle minne ohjaustangosta ohjataan. Liikkeessä (siis ~20 kmh tai yli) tilanne kuitenkin muuttuu päinvastaiseksi massan hitauden takia.

Keulakulmalla aivan kuten suuremmalla tai pienemmällä etu- tai takarenkaallakin on suora vaikutus etujätön mittaan. Esimerkiksi alkuperäistä suurempi eturengas kasvattaa etujättöä, ohjauskulmaa suurempi keulakulma taas pienentää sitä. Toisaalta eturengasta leveämpi ja matalaprofiilisempi takarengas pienentää etujättöä kaarteessa koska takapää "nousee". 

Jarrutuksessa ohjauskulma muuttuu ja etujättö pienenee

Perinteisellä etuiskunvaimennuksella varustetun pyörän keula "sukeltaa" ja ohjauskulma muuttuu jarrutettaessa, erityisesti kun jarrutetaan voimakkaasti etujarrulla. Tämä muuttaa moottoripyörän alustan kaarrekäyttäytymistä. Myös renkaan pitokyky on rajallinen ja mutkassa osa siitä on jo käytetty kaartamiseen. Renkaan pitokyky saattaakin jarrutuksessa loppua kesken jolloin matka jatkuu tangentin suuntaan ja usein kohti lepikkoa. 

Tämän takia aloitteleville motoristeille opetetaan, että mutkassa ei pidä jarruttaa. Moottoripyörän hallittu jarruttaminen on jo ilman kaarrekäyttäytymisen muutostakin tarpeeksi hankalaa. Jos (kun) joudut tiukkaan paikkaan moottoripyörän kanssa niin joko jarruta tai väistä, mutta älä yritä molempia samanaikaisesti!!! 

Vastaohjaus - Moottoripyörän ohjaaminen käytännössä

Kuva 3. Vastaohjaus: Kun työnnät vasemmanpuoleista kahvaa eteenpäin (tai vedät oikeanpuoleista) moottoripyörä kallistuu vasemmalle.

Kun moottoripyörä liikkuu tarpeeksi nopeasti ja oikeanpuoleisesta kahvasta työnnetään eteenpäin niin moottoripyörä kallistuu pituusaksliinsa nähden oikealle. Ohjaustangosta siis kirjaimellisesti ohjataan eri suuntaan kuin minne halutaan mennä, tätä kutsutaan vastaohjaukseksi. Vastaohjauksella kallistetaan pyörää johonkn suuntaan mutta sitä ei käytetä itse kääntymisen aikana (paitsi jos halutaan muuttaa ajolinjaa). Vastaohjaus perustuu massan liike-energiaan joten sen huomaa konkreettisemmin vasta kaupunkinopeuksista ylöspäin.

Moni aloittelija tai kaverin prätkää kokeillut on valitettavasti päätynyt tilastoihin koska vastaohjausta ei ole osattu tai siitä ei ole edes kuultu. Monelle kokeneellekin motoristille vastaohjausliikeet ovat tiedostamattomia ja sitä käytetään painon siirron kanssa samanaikaisesti. Ja vaikka vastaohjausta käytettäisiin harkitusti liikkeet ovat niin pieniä että ohjaustanko ei juuri näytä liikkuvan. 

Vääräuskoiset vastaohjauksen vastustajat voivat testata homman toimivuutta sitomalla narun vasempaan kahvaan ja vetämällä mutkassa ko. narusta. Pakanat tunnistetaankin sitten mykistävästä kanttailusta pitkin maanteitä, vinkkinä mainittakoon että naru kannattaa olla irroitettavissa pikaisesti ja että kädet saa laittaa takaisin kahvoille! 

Miksi pyörä "kaatuu" eri suuntaan kuin mihin ohjataan? 

 

Kuva 4. Takarenkaan kosketuspinta [At], massakeskipiste [MK], eturenkaan kosketuspinta [Ae]. Vastaohjauksella etumainen tukipiste siirretään pois liikeradalta ja moottoripyörä "kaatuu" sivulle. Kuvassa moottoripyörä on jo lähtenyt kaatumaan. Kuvassa eturenkaan kääntymistä ja pisteen [Ae] liikettä on liioiteltu rajusti.

Tiedämme, että massa energiaperiaatteen mukaisesti haluaa säilyttää liiketilansa (Newtonin ensimäinen energiaperiaate) eli liikkuva moottoripyörä pyrkii jatkamaan suoraan ellei siihen vaikuta mikään voima. Tämä on vastaohjauksen toimimisen ydin.

Pieni ohjausliike vasemmalle aiheuttaa sen, että eturengas liikkuu suoralta linjalta vasemmalle vaikka pyörä haluaa jatkaa suoraan (kuva 4). Eturengas kääntyy pois alta pyörä "kaatuu" vastakkaiseen suuntaan eli tässä tapauksessa oikealle. Saman kaatumisreaktion saa tietenkin aikaiseksi ilman vastaohjausliikkeitä pelkästään painon siirron avulla mutta silloin tasapainotilan horjuttaminen on hitaampaa. 

Auton kyydissä istuessamme huomaamme tämän massan hitauden jos suljemme silmämme vasemmalle kaartuvassa mutkassa, maailma tuntuu kaatuvan oikealle. 

Hyrrävoiman vaikutus moottoripyörän ohjauksessa 

 

Moottoripyörän kääntymisen yhteydessä nostetaan usein esiin ns. hyrrävoimat. Hyrrävoima perustuu Newtonin ensimmäiseen energiaperiaatteeseen jonka mukaan massa pyrkii säilyttäämään liiketilansa. Tämän vuoksi myös hyrrä pyrkii säilyttämään pyörimistasonsa ja jos sitä käännetään esim. oikealle se kaatuu vastakkaiselle puolelle eli vasemmalle, sen massa haluaa jatkaa suoraan. 

Hyrrävoima siis vakauttaa moottoripyörän kulkua sitä enemmän mitä nopemmin hyrrä eli renkaat pyörivät (pyörivien moottorinosien vaikutus on häviävän pieni) kasvattamalla moottoripyörän liike-energiaa. Hyrrävoimia voi testata nostamalla etupyörä ilmaan, pyörittää sitä 120 kmt nopeudella ja sitten kääntelemällä ohjaustankoa. Road race kuskit tekevät tämän keulimalla, tavalliselle kansalle sopinee paremmin testipenkki jossa on tuet rungon alla ja renkaita pyöritetään esim. painepesurilla. Hyrrävoima tuntuu kyllä sarvissa mutta pelkästään se ei kallista tai käännä pyörää mihinkään. 

Pyörivät hyrrät eli pyörät vakauttavat moottoripyörän kulkua paitsi suoraan ajettaessa niin myös silloin kun moottoripyörä on kallistuneena mutkaan. Vaikka moottoripyörä kulkee kaarevaa rataa niin massa liikkuu tasapainotilassa ja jotta kaarrosta päästään pois täytyy kuskin taas vastaohjata, tällä kertaa mutkan suuntaan. 

Mikä sen sitten saa kaartamaan?

Itse kääntymiseen vaikuttavat, paitsi ohjaustangon suunta ja kuski-pyörä-yhdistelmän painopisteen sijainti, niin myös pyörän etupään geometria, etujättö, rengastus, nopeus, alusta, etanan sarvet ja kuun asento sekä koko joukko muita tekijöitä. Tyhjentävä selitys aiheesta "miksi se kaartaa?" ei ole lukijoiden pitkästymisen välttämiseksi mielekästä. Tarkka esitys vaatisi lisäksi erilaisten matemaattis-fyysisten apparaattien käyttöä. Siksi pyrimme tässä vain selvittämään olennaisimpia kaartoon vaikuttavia tekijöitä. 

Renkaan profiili 

 

Kuva 5. Renkaan kosketuspinnan [merkitty nuolella] kehämitta on lyhyempi sisäkurvan puolelta. Koska moottoripyörä ei kaarra kuvan kartion kärjen ympäri kosketuspisteessä on tapahduttava lipsumista eli sortoa.

Renkaan profiili eli ns. kartiokkuus pyrkii kääntämään rengasta kallistuksen suuntaan. Tätä kaartotaipumusta voidaan mallintaa kyljelleen käännetyllä pahvimukilla joka pyöritettäessä kaartaa kauniissa kaaressa.

Kun rengas on kallistuneena renkaan kosketuspisteen ulkokehä on pidempi kuin sisäkehä (kuva 5). Tämä pyrkii kääntämään rengasta näiden kahden kehämitan suhteessa. Koska moottoripyörä ei kaarra renkaan kallistuksen mukaisen kartion kärjen ympäri niin renkaan kosketuspinnassa on tapahduttava lipsumista eli ns. sortumista. 

Myös suoraan kulkevan pyörän rengas voi sortaa vaikka varsinaista sutimista ei tapahtuisikaan, esimerkiksi kiihdytyksessä. Renkaan sortuma tekee asian matemaattisen taustan mutkikkaaksi. Myös kitka käyttäytyy todellisuudessa monimutkaisemmin kuin peruskoulussa väitetään, esimerkiksi kiihdytysautojen renkaan kitkakerroin on parhaissa tapauksissa yli yhden! 

Sortoa tapahtuu kallistuksessa usein eri määrä eturenkaalla kuin takarenkaalla ja tämä aiheuttaa pyörän käytöksen siirtymistä joko ali- tai yliohjautumiseen. Renkaan sortuma selittääkin sen, miksi moottoripyörä pyrkii yliohjautumaan kun kaasua vääntää lisää mutkassa. 

Painopisteen vaikutus ajettavuuteen

Kuva 6. Tasapaino, moottoripyörään kaarrossa vaikuttavat voimat. Keskihakuvoima [F1] (massa*nopeus^2/säde), maan vetovoima [F2] (massa*g), massakeskipiste [MK], renkaan kosketuspiste [At]. Voimien F1 ja F2 (vakio) pitää olla toisiinsa nähden suhteessa jotta pyörä pysyy tasapainossa myös mutkassa. Huomaa, että efektiivinen kallistuskulma on eri kuin renkaan kallistuskulma, painopisteen paikka vaikuttaa myös tähän.

Pyörän painopisteen sijainti vaikuttaa moottoripyörän kiihtyvyyteen, hidastuvuuteen ja kääntyvyyteen. Asfalttiratojen kisapyörissä painopiste pyritään yleensä sijoittamaan akseleiden puoliväliin korkeudelle joka on noin puolet akselivälistä. Tavoitteena tällä on löytää tasapaino jolloin mm. jarrutuksessa takarengas nousee ilmaan juuri silloin kun eturengas menee lukkoon ja vastaavasti eturengas nousee ilmaan juuri silloin kun takarengas alkaa sutimaan. 

Jotta pyörä pysyisi mutkassa tasapainossa täytyy keskihakuvoiman kompensoida maan vetovoiman ote kallistuneessa moottoripyörässä (kuva 6). Koska moottoripyörän geometriaa ja esimerkiksi etujättöä ei voi muuttaa vauhdissa (toistaiseksi tähän ei ole teknistä ratkaisua) kuski voi muuttaa pyörän painopistettä siirtymällä itse. Elävä esimerkki tästä ovat road race ajajat jotka roikkuvat kaarteessa sisäkaarteen puolella kuolemaa halveksivan näköisesti, kuskin painonsiirrolla moottoripyörä saadaan kulkemaan tiukempaa mutkaa. Näin pyörä on myös suhteellisesti pystymmässä asennossa. 

Mihin suuntaan eturengas on kääntyneenä mutkassa? 

 

Kuva 7. Pystyakseli: Ohjaustangon asennon suhde renkaan ohjauskulmaan (mitä suurempi numero sitä kevyempi ohjaus). Vaaka-akseli: Moottoripyörän kallistuskulma. Esimerkkikäyrät sekä 35 asteen että 5 asteen ohjauskulmille edellyttäen, että sekä keula- että ohjauskulma ovat samoja.

Motoristit väittelevät usein siitä, mihin suuntaan eturengas on lopulta kääntyneenä itse mutkassa. Ylläolevasta voi jo päätellä, että tähän ei ole yksiselitteistä vastausta. Eniten tähän vaikuttaa kuitenkin ohjaus- ja keulakulmat. Ohessa on taulukko (kuva 7) josta näkee, että renkaan asento (mutkaan tai poispäin mutkasta) vaihtuu eri ohjauskulmilla eri kallistuksissa.

Rengas voi siis sojottaa yhtä lailla poispäin mutkasta kuin mutkan suuntaankin. Moottoripyörän geometria hoitaa tämän renkaan oikean suuntaamisen kuitenkin automaattisesti eikä kuskin tarvitse murehtia eturenkaan kulmista enempää kuin ennenkään. 

Aiheeseen liittyvää Suomi - Englanti sanastoa

Etujättö = trail, keulakulma = rake, kosketuspinta = contact patch, ohjausakseli = steer axis, ohjauskulma = castor, sorto, sortuma = slip ja vastaohjaus = counter steering. 

Tämä artikkeli on kasattu yhteen loppukesästä 1999 sfnet.harrastus.mp:ssä käydyn sodan seurauksena ja yhteenvetona. Suurkiitokset myös kaikille tietämättään osallistuneille. Lähteenä on käytetty mm. kirjaa: Robinson John, Motorcycle tuning: chassis, ISBN 0 7506 1840 X. Näiden lisäksi tietoa on kaivettu pitkin poikin nettiä eikä yksiselitteistä alkuperä-dokumenttia ole olemassa. Kuvat ja teksti: Santtu Ahonen. Kiitokset avusta: Janne Tervola, Risto Kaivola ja Antti Kortesuo