השלדה באופנוע

מאת: דני אליקים (מרכז שירות: מוטוריקה)

תפקיד השלדה באופנוע הוא לשמש כבסיס לחיבור כל מכללי האופנוע לרבות המנוע ומערכותיו, המתלים, הגלגלים וכמובן מושב הנהג והנוסע, מיכל הדלק ומעטפת האופנוע. אך תפקיד השלדה לא מסתיים בחיבור של כל רכיבי האופנוע. השלדה היא הגורם נושא העומס המרכזי באופנוע. כוח המנוע, כוחות התאוצה והבלימה, הכוחות שעוברים דרך המתלים וכוחות הצד בסיבובים, כל אלו עוברים דרך השלדה.

השלדה, מעבר לתפקידים חשובים אלה, גם קובעת את אופי האופנוע שאותו היא נושאת. מבנה השלדה, החומרים מהם היא עשויה ועוד כמה פרמטרים שעליהם נעבור בהמשך קובעים האם האופנוע יהיה אופנוע כביש ספורטיבי, תיור או בכלל אופנוע שטח מקצועי.

הכוחות הפועלים על השלדה

השלדה כאמור משמשת כבסיס הנושא את כל מכללי האופנוע וגם את הרוכבים. במהלך הנסיעה מתפתחים על השלדה מספר כוחות:

• כוחות תאוצה – כאשר הנהג פותח את המצערת, הוא גורם לעליית כוח במנוע אשר שואף לסובב את הגלגל האחורי מהר יותר. בשל התנגדויות שונות הנובעות מחיכוך הכביש, התנגדות הרוח ומשקל האופנוע, אותו הכוח ששואף לסובב את הגלגל מהר יותר, שואף לסובב את המנוע בכוון ההפוך. כוח זה נעצר ונספג בשלדה, בעזרת תושבות המנוע המקובעות לשלדה.
• כוחות בלימה – בזמן נסיעה, כוחות האינרציה הפועלים על האופנוע שואפים לשמור על מהירותו. כאשר הנהג בולם הוא גורם לבלימת הגלגלים ולהעברת כוח הבלימה דרך המתלים אל השלדה. בגלל שרוב מסת האופנוע תלויה על השלדה, הכוחות הפועלים סביב נקודות החיבור בין השלדה למערכת המתלים הם רבים.
• כוחות צד – בזמן סיבוב, בעיקר במהירויות גבוהות או בשינויי כוון מהירים, על השלדה פועלים כוחות צנטריפוגליים השואפים להוציא את האופנוע אל מחוץ לקשת הסיבוב (תוך כדי שהצמיגים אוחזים את הכביש במסלול הנסיעה) משוואת כוחות דמיונית זו שואפת לעוות את השלדה.
• כוחות הנובעים מתנאי הדרך – בכבישים משובשים או בתנאי דרך קשים (כמו נסיעה בשטח), השלדה חשופה לטלטולים רבים המועברים לה דרך המתלים. על השלדה לספוג את הכוחות הללו מבלי להתעוות או להיסדק.
• משקל – השלדה, כבסיס שעליו מחובר המנוע ושאר מכללי האופנוע ועליו גם בסופו של דבר יושבים הרוכב והנוסע, אמורה לשאת בעומס המשקל הרב מבלי להתעוות או להישבר.

 

מבנה השלדה

קיימים מספר סוגים של שלדות באופנועים העשויים מחומרים שונים ובצורות מבנה שונות. על מנת להבין את ההיגיון שעומד מאחורי תכנון השלדות עלינו להבין קודם מספר מושגי בסיס.

כאשר מפעילים כוח על חומר, הוא עשוי להתעוות, להתכופף וצורתו עשויה להשתנות. אלסטיות, פלסטיות ומידת הקשיחות של החומר, מתארים את הנכונות של החומר להתעוות בהשפעת הכוחות הפועלים עליו, ואת הנטייה שלו לחזור למצבו המקורי עם הסרת הכוחות.

אלסטיות – יכולתו של החומר לשנות את צורתו תחת השפעת עומס, ולחזור לצורתו המקורית לאחר הסרת העומס. במבנה מחומרים אלסטיים חלה תזוזה (עיוות) בהשפעת הכוח שפועל עליהם, אך הם נוטים לחזור לגיאומטריה המקורית שלהם כשהכוח מוסר. תכונה זו של החומרים נקראת אלסטיות.

בחומרים כמו מתכות וסגסוגותיהן ובחומרים פלסטיים קשיחים מידת האלסטיות היא נמוכה מאד.

פלסטיות – פירושה שבמבנה החומר חל עיוות גיאומטרי או תזוזה קבועה, שנשארת למרות הסרת הכוח הפועל על המבנה. במתכות וסגסוגותיהן מתרחש עיוות פלסטי אם נפעיל כוח שיגרום לתזוזה שמעבר לתחום האלסטי.

קשיחות (בעיוות) – עוסקת בהתנגדותו של חומר לעיוות קבוע של צורתו. ככל שהשלדה קשיחה יותר כך היא תשמור על צורתה וממדיה המקוריים גם תחת מאמצים רבים, אך מעבירה לנהג את כל מהמורות הדרך שהצליחו לעבור מהמתלים, מבלי לספוג ולבלום אותם. בנוסף, השלדה הקשיחה חשופה לסדקים ושברים. הקשיחות של החומר הפוכה בהגדרתה לאלסטיות או לפלסטיות.

סוגי החומרים הנפוצים לייצור שלדות

• שלדות פלדה – שלדות פלדה הן הנפוצות ביותר באופנועים סדרתיים קלים, באופנועים דו–שימושיים ובקטנועים. שלדות אלו עשויות מצינורות או פרופילי פלדה מכופפים ומרותכים. שלדות הפלדה זולות יחסית לייצור, אלסטיות ובעלות יכולת ספיגת אנרגיה טובה. לעומת זאת שלדות אלה מתאפיינות בטכנולוגיה ישנה, כבדות יחסית ולא קשיחות מספיק בתנאי רכיבה ספורטיביים.
• שלדות אלומיניום – עם ההתקדמות הטכנולוגית, העלייה בהספקי המנוע והמרוץ הבלתי נגמר בין יצרני האופנועים בחדשנות ובביצועים, קמה דרישה לשנות את אופי התנהגות האופנוע (הספורטיבי בעיקר) למדויק יותר, קל יותר וקשיח יותר. עמידה בדרישות אלה חייבה תכנון שלדה קשיחה וקלה יותר, שתהיה מדויקת יותר ובעלת מבנה קטן וקל יותר, מה שהביא את המהנדסים למצוא חלופה לפלדה ולעבור לתכנון שלדה מסגסוגת אלומיניום. סגסוגת האלומיניום קלה יותר מהפלדה, קשיחה וניתן לעצב אותה ביתר קלות. שימוש בסגסוגת אלומיניום גם הוריד את מספר החלקים המרכיבים את השלדה מכיוון שהשלדה משלבת חלקים יצוקים ופרופילים המרותכים ביניהם. כפי שנאמר שלדות האלומיניום מתאפיינות במשקל נמוך, במבנה קטן ובקשיחות. לעומת זאת שלדות האלומיניום יקרות יותר לייצור, חשופות יותר לסדקים ושברים ואינן סופגות אנרגיה.
• סיבי פחמן – שלדות העשויות מתרכובות של סיבי פחמן וחומרים מרוכבים הינן שלדות אקזוטיות, שניתן לראות בדגמי אופנועים ספורטיביים בודדים ובמסלול המרוצים. שלדות אלו מתאפיינות במשקל קל מאד, בחוזק גבוה ובקשיחות גבוהה. מנגד, ייצור השלדות הללו יקר מאד והבלאי שלהם גבוה, מה שמחייב את החלפתן בתדירות גבוהה יחסית.

צורות מבנה השלדה

• שלדת קורה מרכזית – בתחילת הדרך, היו שלדות האופנועים מבוססות על קורה מרכזית מסיבית: שלדות spine. שלדות מסוג זה דומות במעט לשלדות האופניים של האופנועים הראשונים. הספק המנועים שעלה בהתמדה, הוליד שלדות בעלות קורה מרכזית מסיבית, ממנה תלויים כל שאר רכיבי האופנוע.

• שלדת עריסה בודדת – זוהי השלדה הפשוטה והבסיסית ביותר, שהייתה נפוצה ברוב האופנועים הישנים יחסית (עד שנות ה-90) וכיום ניתן למצוא אותה באופנועי דו"ש קטנים, באופנועי קאסטום ובאופנועי כביש קלים. שלדה זו עשויה לרוב מצינורות או פרופילי פלדה מכופפים ומרותכים, כאשר אל ציר ההיגוי מתחברים שני צינורות – עליון ותחתון העוברים מתחת ומעל למנוע. הצינור התחתון מתפצל לשניים וחובק את המנוע בחלקו התחתון משני צדדיו עד לאזור החיבור לזרוע האחורית. הצינור העליון עובר לאורך המנוע ומתחבר גם הוא באזור הזרוע. שלדת העריסה מתאפיינת במבנה פשוט וזול לייצור ובעלת יכולת ספיגת מהמורות טובה, חסרונות שלדת העריסה הן במשקל גבוה יחסית, גמישות יתר וגם יכולת תכנון מוגבלת של גובה המנוע היושב בתוך השלדה.

• שלדת עריסה כפולה – דומה לשלדת העריסה, אך עם שתי תמיכות (צינורות עגולים או מלבניים) בחלקה העליון. שלדה זו חזקה יותר לפיתול ולעוות מאשר שלדת העריסה, אך עדיין בעלת גמישות מסוימת. ניתן למצוא אותה באופנועי ספורט-תיור (BANDIT 1200) או באופנועי קאסטום וקטנועים גדולים. באמצע שנות התשעים, זכינו לראות לראשונה שלדת עריסה כפולה העשויה אלומיניום באופנוע סידרתי (GSX-R750). זאת לאחר שהמהנדסים הצליחו למצוא דרך לייצר ולחבר את חלקי השלדה בעלות נמוכה יחסית. שלדה זו העלתה באופן ניכר את קשיחות השלדה תוך הורדה משמעותית במשקל האופנוע, מה שתרם לעליה משמעותית בביצועיו. חסרונות שלדת העריסה הכפולה הן במגבלת גובה בהתקנת המנוע, גישה לא נוחה בטיפולים וסיכון גבוה יחסית לשברים וסדקים.

• שלדת קורה כפולה – השלדה הנפוצה באופנועי ספורט (בכביש וגם בשטח). עשויה משתי קורות אלומיניום המחוברות לצוואר ההיגוי בצדן העליון, חובקות את המנוע משני צדיו ומתחברות אל צדו האחורי של המנוע והזרוע האחורית. העיקרון המרכזי של שילדה זו היא לצור מרחק קצר ככל הניתן (וישר ככל הניתן) בין צוואר ההיגוי לאזור חיבור הזרוע האחורית. בשלדה זו המנוע משמש כנושא עומס, זאת אומרת שחלק ממאמצי הכפיפה הפועלים על השלדה (בבלימה, תאוצה וסיבוב) נספגים ונבלמים במנוע. חיבור לא חזק מספיק בין המנוע לשלדה יכול להביא לסדיקתה. היתרון הגדול של שלדת הקורה הכפולה הוא ביכולתה לשאת עומס רב במבנה קטן וקל הודות לניצול המנוע כחלק נושא עומס.

• שלדת מונו-קוק – שלדת המונו קוק היא בעצם שלדה העשויה פח מכופף. אין בשלדה זו שום מסבך של צינורות מכופפים או פרופילים מרותכים. שלדה זו מתאפיינת בקשיחות גבוהה, בעלויות ייצור נמוכות יחסית (בקטנועים) אך גם במשקל גבוה וביכולת עיצובית מוגבלת. ניתן לראות את שלדת המונו קוק בווספה האגדית של פיאג'יו ובמספר דגמים בודדים של אופנועים (GTR1400), שם שלדת המונו קוק עשויה יציקת אלומיניום ואינה נוטלת חלק בעיצוב המרכב. בדגמי האופנועים שלדה זו יקרה לייצור ולכן לא נפוצה.

• שלדת צינורות – שלדת הצינורות דומה בתכונות המבנה לשלדת הקורה הכפולה, אך כאן השלדה עשויה מסבך צינורות פלדה ולא פרופילי אלומיניום. גם כאן הקורות ההיקפיות (העשויות מסבך צינורות) מחברות בין צוואר השלדה לזרוע האחורית בצורה ישירה וקצרה תוך ניצול המנוע כגורם נושא עומס. שלדה זו מתאפיינת בחוזק מבני גבוה מאד ויכולת טובה לספוג אנרגיה. ניתן למצוא אותה באופנועי דוקאטי ובמספר אופנועי ספורט נוספים.

• השלדה בקטנוע –  ברוב הקטנועים הקטנים (עד 250 סמ"ק) הדרישות מהשלדה שונות מאשר באופנועים. שלדות אלה לרוב אינן חשופות לכוחות תאוצה ובלימה חזקים ואינן נדרשות לביצועים גבוהים מצד המנוע והרוכב. רצון היצרן להוזיל את העלות הכללית של הקטנוע מביא את מהנדסי הקטנוע לייצור שלדה בסיסית וזולה העשויה מצינורות פלדה מכופפים ומרותכים שתפקידה להוות בסיס פשוט למכללי הקטנוע השונים תוך שמירה על ממדי הקטנוע ומגבלות העיצוב. שלדות אלה גמישות מאד, בעלות יכולת ספיגה טובה מאד אך גורמות להתנהגות כביש ירודה ולחשש מעיקום בתנאי עומס גבוהים או בתאונות קלות.

• שלדת זנב (Sub frame) – שלדת הזנב מותקנת באופנועים מודרניים כהמשך לשלדה הראשית ותפקידה לשאת בעומס הרוכב והנוסע, להוות בסיס להתקנת הכנף האחורית ומכללים שונים נוספים. הסיבות להתקנת שלדת זנב נפרדת הם אפשרות שימוש בחומרים שונים מהשלדה הראשית, תהליכי ייצור פשוטים וזולים יותר ואפשרויות החלפתה במקרה של עיקום או שבירה. שינוי בממדי שלדת הזנב אינו פוגם במידות ובגיאומטריית ההיגוי של האופנוע.