Om Däck

Denna text är hämtad ifrån ett föredrag om däck som Kjell  höll femte april 2005.

Här avhandlas det mesta du kan tänkas vilja veta om däck och dess egenskaper.
Om du vill använda hela eller del av texten är vi tacksamma om du frågar och därefter i citat anger källa.

Nu till föredraget:

Hur mc:n håller ”balansen” i fart
1. Tröghet Newtons första rörelselag ”Var kropp förblir i vila, eller jämn rörelse i en rät linje,
om den ej tvingas ändra sitt tillstånd av krafter, verkande på den”
m (massa) • v (hastighet) bevaras en mc i 10 km/h respektive 100 km/h påverkas av samma sidokraft, avdriftvinkeln blir olika en mc med hög fart och vikt påverkas mindre men kräver mer styrkraft

Gyroskop Rotera ett cykelhjul som vid färd framåt.
För det upp och ned i fjädringsvägen, motståndet är hjulets vikt.
Vrid det snabbt i högerstyrning, det vill vrida sig moturs, motverka styrningen.
Gyro 1 är framhjulet kring styrhuvudet (vridning på styret), gyro 2 är mc:n kring rollcenter lodrätt mellan de två hjulen (när mc:n lutas), gyro 3 är rollcenter horisontellt genom respektive hjulaxel, när axeln vrider sig kring kurvans radie.

Mgyr = Ir (tröghetsmoment, mr2 ) • ωr (rotationshastighet för hjul) • ωs (rotationshastighet för
vridning av hjul)

Ju högre hastighet, desto mer ökar stabiliteten av gyroverkan hos hjulen.

Gyroskop hos vevaxel, typ Funduro. Verkan beror av varvtalet, ej mc:ns fart.
Rossis Yamaha har mellanaxel för att få vevaxel och hjul rotera åt olika håll, tar cirka 5 hk men ger snabbare varvtider.

Försprång
Styrhuvudet verkningslinje går före framdäcket.
Framdäcket ”bogseras” av mc:n. Lättast se fenomenet på matbutikens kundvagn, eller backa med ett släp. Prova körning i djup, mjuk sand.
Det effektiva försprånget är inte det på marken, utan vinkelrätt styrhuvudets linje.
Försprångets verkan beror även på vikten över framhjulet.

Hur man kan balansera stillastående
Vridning av styret gör att linjen mellan fram- och bakhjul vinklas ut, då ligger tyngdpunkten på sidan och mc:n tippar.
När styret vrids, sjunker styrhuvudet ner, då vill rörelsen (sjunkningen) fortsätta.
Märks i låg fart på att mc:n vill falla (styra) in i kurvan.
Låg vikt på framhjulet gör det lätt att vrida (men minskar försprångets verkan i fart) Kroppsvikten kan flyttas

Hur man svänger
Vi närmar oss en vänsterkurva.
Vrid styret snabbt åt höger.
Gyroverkan gör att framhjulet vill luta åt vänster.
Linjen mellan fram- och bakhjul vinklas åt höger, då ligger tyngdpunkten på vänster sida och mc:n tippar ditåt. Jämför med bil, vid rattvridning höger kränger kropp och bil åt vänster.
Mer ju mjukare fjädringen är och mc:n har bara ”tomma luften” som fjäder.
Fortsätter man vrida styret åt höger, fortsätter lutningen. Balansera mc:n genom att vrida styret till vänster. Mc:n balanseras mellan centrifugal (mv2/r) och tyngdkraften (mg).
Obs att massans storlek och höjd ej påverkar denna balanspunkt, lutningsvinkeln blir oberoende massan vid konstant fart. Max fart fås då centrifugalkraften = däckgrepp;
mv2/r = fmg, ger v max = √fgr, alltså kan mc med olika vikt ta kurvor lika snabbt. Detta är vid konstant fart, en lätt mc svänger snabbare.

Mc:n kan även svängas utan att ha händerna på styret, genom att luta den med sätet.

I praktiken kombinerar man styrning/lutning.

Mc med kraftfull försprångsverkan/ högt gyromoment (tungstyrd) lättare med mer lutning än styrning.

Antag att vi kör i en kurva med konstant fart och lutning. Bromsa/ motorbromsa. Då farten minskar, minskar centrifugalkraften, mc:n faller inåt. Detta balanseras genom att vrida styret inåt kurvan, minskar kurvradien, så ökar centrifugalkraften igen.

Motsatt, genom att öka gaspådraget, ökas farten, ökar centrifugalkraften och mc:n vill räta upp sig, vilket kräver mindre styrutslag, varvid kurvradien ökar.

Effektiv styrvinkel
Den vinkel vi vrider styret i, motsvarar inte samma effektiva styrvinkel vid marken.

Betrakta en mc med styrhuvudet lodrätt vägbanan. Styrets vridning blir hjulets effektiva vridning. Luta den mc:n 90° mot vägbanan (i diket). Styrets vridning blir nu ingen effektiv vridning mot vägen.
Betrakta en mc med styrhuvudet parallellt vägbanan (show bike chopper). Styrets vridning blir nu ingen effektiv vridning mot vägen, utan sammanfaller med mc:ns lutning.
En standard mc har rake typ 24 – 30° och utgör en blandning av dessa två hypotetiska mc. Det effektiva styrutslaget beror av rake och lutningsvinkel. Mer rake ger mindre effektivt styrutslag men även större okänslighet mot ojämn vägbana.

Hjulbas
Vid samma effektiva styrvinkel (bortse från lutning) ger en kort hjulbas en mindre kurvradie.
Antag att framhjulet sidoförflyttas (ojämn väg, sidvind) en viss sträcka. Vid kort hjulbas, blir vinkeln mellan fram- och bakhjul stor. Vid lång hjulbas liten, alltså stabilare gång. Vid regn, gör framdäcket ett spår. Vattnet rinner tillbaka, men ju kortare hjulbas, desto torrare spår får bakdäcket gå i.

Däckets bredd / lutningsvinkel
Vid ”streckmodellen” av ett däck, ritar man lutningspilen som en resultant mellan mv2/r och mg, verkande i tyngdpunkten.

Betrakta ett däck i samma lutningsvinkel. Tyngdpunkten har samma läge, mv2/r och mg har samma storlek, men resultanten pekar mot mitten av däckets anläggningsyta, en sträcka från däckets mitt. För att balansera ihop mv2/r och mg, måste mc:n lutas mer.

Ett brett däck kräver större lutningsvinkel vid samma fart/kurva.

Höj nu tyngdpunkten. Resultanten pekar fortfarande mot mitten av däckets anläggningsyta, men då vinkeln blir mindre, behövs inte samma lutning för att balansera ihop mv2/r och mg.

En hög tyngdpunkt minskar lutningsvinkel vid samma fart/kurva.

Mc-däck som två roterande koner

Ett mc-däck, som rullas i en vinkel mot marken, kommer att rotera i en cirkel.

Timglasskidor: Slalomskidor görs numera i timglasform, dvs uppifrån sett är sidorna gjorda med en radie. Man åker utan sladd och då svänger skidorna med den radien.

Kurvor på vägen har olika radie. Däcken är gjorda med runt tvärsnitt för att klara olika radier, eller kombination av lutning/hastighet.

Om framdäcket roterar i något snävare cirkel än bakdäcket, går mc:n genom kurvan med minimal styrning. Detta fås av olika rundning på fram- och bakdäck, men framförallt genom att framdäcket är smalare.

Om vi har skillnad i ”naturlig radie” mellan fram- och bakdäck, kräver mc:n mer styrning genom kurvan. Antag att vi har platt/ brett bakdäck. Det vill då rotera i en större radie än framdäcket. Detta kompenseras genom att vrida in framhjulet mer i kurvan. Då arbetar kontaktytan med en ”skrubbvinkel” mot vägen och slits snabbt. Antag att föraren ”låter bakdäcket bestämma” och inte lutar så mycket, utan kör långsamt genom kurvan. Detta kompenseras genom att vrida framhjulet ut ur kurvan. Då arbetar kontaktytan med en ”skrubbvinkel” mot vägen och slits snabbt. På samma sätt får en förare, som har en ”favoritlutningsvinkel” eller tycker lutning och hög fart är obehagligt, styra mc:n genom kurvan.

Rundningen av däckets tvärsnitt beror av däckets bredd och själva ”rundningen”.
Observera att det är den nedfjädrade rundningen, vilken beror av stommens konstruktion samt däckets lufttryck. Höga lufttryck gör mc:n mer lättsvängd.

Förhållandet mellan rundningen hos fram- och bakdäck är av största betydelse för mc:ns körkänsla. Att vägleda någon är ogörligt, då ett ”idealförhållande” påverkas av mått, vinklar och vikt på mc:n, samt kräver mätning av vart däck vid olika fälgbredd/lufttryck, samt en definition av förarens preferenser (kurvglad, kurvrädd) och påverkas kraftfullt av däckens slitage. Man kan utgå från originaldimension/ matchande par men få bättre resultat med andra.

Rullmotstånd
Betrakta en liten ojämnhet på vägbanan. Utan fjädring, lyfts hela mc:n upp. Med fjädring, endast hjulet (ojämnheten trycks ner). Antag att vi sätter en tryckgivare i ojämnheten, som mäter belastningen mot hjulet. Denna del av energin går förlorad (samt eventuellt nedtryckningsarbete). Lyfts hela mc:n, åtgår mer energi än då bara hjulet rör sig. Montera nu ett luftfyllt, fjädrande däck på hjulet. Då behöver vi bara lyfta upp en mindre bit däck och rullmotståndet blir en bråkdel, även rörelsen hos hjulet och mc:n.

Luft som fjäder
Däcket ska ta upp krafter i alla riktningar: driv, broms och kurvtagning. Luften verkar med samma tryck i alla riktningar och ger gummit en idealisk bas.

Coulombs friktionslag
Enligt skolan är friktionskraften F = m (massan) • g (gravitationen) • µ (friktionskoefficienten). F är oberoende av arean mellan ytorna. Hårda material består av ojämnheter och den effektiva kontaktytan är beroende av trycket mellan ytorna, högre tryck gör att fler ojämnheter tar i varandra och friktionskraften ökar. Lägre tryck och ytorna fjädrar tillbaka, färre ojämnheter tar i varandra. Ultrapolerade material (passbitar) har så stor
kontaktyta att krafter mellan molekylerna kan verka över hela ytan.

Ett elastiskt material, som gummi, flyter delvis ner i underlagets ojämnheter. Om man ökar trycket, ökar nedflytningen i ojämnheterna, men så småningom är ojämnheterna uppfyllda och den effektiva kontaktytan kan ej mer ökas. Gummit blir ”mättat” och vid ytterligare belastning minskar friktionskoefficienten. Därför ger större gummiyta mot marken mer grepp. Obs att på en given fälg blir kontaktytan mot marken praktiskt taget alltid mindre med en överdimension på däcket.

Betrakta ett däck från sidan. Där anläggningsytan börjar respektive slutar är infjädringen noll, i mitten är denna maximal. Då infjädringen är proportionell mot belastningen, kommer friktionskoefficienten att variera genom anläggningsytan.

Betrakta ett däck i tvärsnitt, under kurvtagning. Det följer samma förhållande.

Betrakta nu ett bakdäck, plattslitet med ”kant”. Vid nedläggning på kanten, kommer denna att bära en större del av belastningen än denna del skulle göra om däcket vore ”jämnrunt”. Friktionskoefficienten kommer därför att vara lägre på ”kanten”. Det totala greppet i däcket består av summan av alla små element, vi kan dela ner det i cm² eller mm², och då ”kantelementen” har lägre friktionskoefficient, kommer det totala greppet att minska. Därför kan man få släpp med ”kantiga” däck. Obs att det inte är en funktion av däckets ålder.

Gummits friktion
Adhesion mellan molekylär bindning mellan gummi och vägbana. Huvudsakligen vid torrt.

Betrakta en liten upphöjning i vägbanan. Vi börjar vrida vårt hjul över denna. Gummit ligger an mot upphöjningen och rör sig inte, så en dragkraft uppstår i gummit. Beroende av vinkeln på upphöjningen, kommer komponenten i dragriktningen att bjuda ett deformationsmotstånd.

Då vi nu vrider mer, kommer gummit att komprimeras av upphöjningen. Detta kräver energi. När vi vrider ytterligare, går gummit över upphöjningen och på ”dalsidan” fjädrar det tillbaka. Dock har gummi hysteres, eller inre friktion och vid returfjädringen fås inte all energi tillbaka, utan blir värme i däcket. Greppet över upphöjningen är proportionell mot denna energiförbrukning. En studsboll har låg hysteres och dåligt grepp ”studsar” på vägbanan. Denna viskösa friktion utgör huvudfriktionen vid våt vägbana.

Om upphöjningen är högre, eller vridningen våldsammare, och vi går över draghållfastheten

för gummit, rivs detta, vilket kräver ytterligare energi. Till slut, vid våldsammare vridning (eller svagare gummi) slits partiklar loss, vilket kräver än mer energi.

Gummits friktion är väsentligen en funktion av dess temperatur. Vid högre värme, är det mjukare och formar sig bättre mot vägbanan. Dock minskar draghållfastheten och blir däcket för varmt sjunker greppet. Vid överhettning (bankörning) kan mjukgörarna gasas ur gummit och detta blir permanent hårdare. Gummi leder värme dåligt, man kan ha varm kontaktyta vid körning rakt fram men märkbart kallare på sidorna, kan ge problem vid en skarp kurva.

Lufttryck
Däckets nedfjädring är proportionell mot lufttrycket. Betrakta anläggningsytan på ett däck från sidan. Det bildas en vinkel där denna börjar/slutar; vinkeln och längden mellan beror av lufttryck/belastning. Sett i tvärsnittet, buktar väggarna ut. Beroende av hysteres, skapas en värme i däcket. Om hastigheten ökas och nedfjädringen är stor, kan däcket haverera av överhettning, särskilt om en stående våg bildas i det. Återfjädringen sker inte omedelbart, utan däcket släpar lite efter och fjädrar sedan förbi sitt jämnviktsläge.

Lågt tryck gör att mönstret rör sig, böjer sig mer. Detta ger ojämnt slitage vid mönsterkanter och sluter mönstret i regn.

Lågt tryck = högre rullmotstånd, högre temperatur, större kontaktyta, bättre grepp i torrt, sämre i regn.

Högt tryck = mindre rullmotstånd, sämre grepp i torrt, bättre i regn, mer lättsvängt, jämnare slitage på mönsterkanter men bakdäcket blir plattare i mitten.

Lufttrycksvarning! Vid så gott som alla reklamationsärenden har kunden ”kört med det tryck som rekommenderas i handboken och kontrollerat det var eller varannan vecka”. Detta har verifierats av ett antal kollegor och tillverkare. Ofta vet kunden inte trycket, fast han kollat det tjugo – trettio gånger, så jag kan inte säga vilket tryck det är, men det är i alla fall alltid just det som står i deras handbok, så undvik detta.

Diagonaldäck
Den ursprungliga däckskonstruktionen. Cordväven går diagonalt över däcket från kanttråd till kanttråd. Liten vinkel mellan lagren ger liten nedfjädring, lägre temperatur men stötigare. En nackdel är att stommens töjs av centrifugalkraften i höga hastighet, varvid kontaktytan minskar.

Radialdäck
Michelin erhöll patent på radialdäcket 1951. Ett cordlager går radiellt över däcket från kanttråd till kanttråd. Under slitbanan går ett cordlager i rotationsriktningen. Detta medför att sidväggarna fjädrar lätt, samt att slitbanan är styv. De ger bättre miltal, lägre rullmotstånd. De kan ej användas i bilform på mc, då sidväggen fjädrar när man lägger ner mc:n på denna. 1984 kom Pirelli MP 7 R för mc. Det hade dock ej längre livslängd än diagonaldäcken. Sidväggarna på mc-radial är mycket styvare än på bil. Centrifugaltöjningen är mycket liten.

Bältdäck
Utgående från en diagonalstomme, lägger man cordlager under slitbanan. Detta minskar centrifugaltöjningen. Agostini vann Daytona 1974 på Dunlop kevlar bältdäck. Dunlop gjorde Red Arrow bältdäck slutet 70 – början 80 talet. Metzeler hade stora framgångar med MBS däcken i mitten av 80 talet. Många däck har extra cordlager under slitbanan, vilket framgår av specifikation på däcksidan, men någon definition vad som är bält-
respektive diagonaldäck har jag ej fått fram.

Har du frågor om däck kan du alltid fråga hos Wheeler-Dealer!