Teksti Eerik Ahmasalo

Tekniikkaa: jousitus osa 1

Joustaako?

Teksti julkaistu MK 4/95

Päivän teema niin työmarkkinoilla kuin kelkkamaailmassa ovat joustot. Jätettäköön työmarkkinapolitiikka SAK:n ja STTK:n ja muiden vastaavien organisaatioiden päänsäryksi ja keskitytään tarkastelemaan mitä kätkeytyy DSA- ja XTRA-tyyppisten kirjainyhdistelmien taakse.

Jousituksen kehittäminen on ollut voimakasta kelkkavalmistajien keskuudessa viimeisinä vuosina. Pohjoismaalaisen kelkankäyttäjän näkövinkkelistä suunta on oikea. Meikäläiset ajo-olosuhteet vaativat ja tulevat luultavimmin jatkossakin vaatimaan kelkoilta hyviä ajo-ominaisuuksia patikkoisilla reiteillä.

Kelkkareittien kunnostus tulee keskittymään taajamien ja matkailukeskusten ympäristöön, eli alueille missä kuormitus on suurin ja missä kelkkaturismia harjoittavat yritykset operoivat.

Kilpailutoiminta USA:n ja Kanadan alueella sisältää nykyään muitakin vahvoja elementtejä kuin jääpohjalla ajettavat ovaaliratakisat. Niin crossi kuin endurokisatkin vaativat huippuhyvää jousitusta ja tehtaat tarjoavat vuosi vuodelta kehittyneempiä ratkaisuja.

Joustomatka on vuosikymmenessä lähes tuplaantunut monissa kelkkamalleissa ja huollettavat sekä säädettävät kaasuiskunvaimentimet alkavat olla vakiovarusteena ainakin urheilu- ja kilpailutarkoituksiin suunnitelluissa kelkkamalleissa.

Motocrossissa elettiin muutamia vuosia taaksepäin aikoja, jolloin mainosmiehet keksivät mitä erilaisempia nimityksiä jousitusratkaisuille. Oli Full Floateria, Pro Linkkiä, Mono X:ää, Uni-Trackkiä ja ties mitä. Välillä tuntuu, että nyt nämä ajatukset ovat tulleet kelkkailuun.

Kelkkaväki puhuu IFS:stä, DSA:sta, TTS:stä, Easy Rideristä, XT:stä jne. Saa nähdä milloin joku mainosmies keksii, että keväiseen auringonlaskuun suuntaavalla kelkkailijalla pitää ajokissaan olla Lonely Rider jousitus. No leikki sikseen, tosiasia kuitenkin on, että jousitusten kanssa on tehty työtä ja kehitys on ollut todellista.

Mistä jousitus syntyy?
Jotta jousituksen toiminnan ymmärtäminen olisi hivenen helpompaa on syytä tutustua niihin komponentteihin ja peruskäsitteisiin, joista jousituskokonaisuus rakentuu. Nykypäivän kelkoissa käytetään joko kierre- tai hakaneulatyyppisiä jousia, lehtijousella varustetut suksirakenteet ovat jäämässä pois tuotannosta.

Jousen jäykkyys ilmoitetaan N/mm tai monelle tutumpi on vanha yksikö kg/mm.

Kun puhutaan kolmen kilon jousesta, tarkoitetaan JOUSTA, jonka puristamiseen yhden millimetrin matkan tarvitaan kolmen kilon voima. Vastaavasti 10 mm vaatii 30 kg ja 100 mm 300 kg puristusvoimaa. Jousen ESIJÄNNITYKSELLÄ ilmoitetaan kuinka paljon jousta on jännitetty siinä tilanteessa, kun jousitus on täysin auki ts. kelkka on ilmassa.

Jousten esijännitykselle löytyy yleensä runsaasti säätömahdollisuuksia. ISKUNVAIMENNIN on laite jossa öljyvirtaa kuristamalla hidastetaan jousituksen liikkeitä. Vaimentamaton jousitus on karkeasti ottaen, kuin kuminen superpallo, jonka pomppiminen hidastuu vain vähitellen. Hyvin vaimennettua jousitusta voisi kuvata pöydältä pudotetulla taikinapallolla, joka lattiaan törmäyksessä jää paikalleen.

Iskunvaimentimissa on erilliset rakenteet, jotka vaikuttavat PURISTUSVAIMENNUKSEEN ja VETOVAIMENNUKSEEN. Puristusvaimennuksen tarkoitus on olla jousen apuna estämässä jousituksen pohjaamista ja vetovaimennus hidastaa jousivoiman aikaansaamaa jousituksen paluuliikettä.

Tarkastellaanpa tilannetta jossa kelkan toinen suksi törmää pattiin. Mikäli jousitusta ei olisi, koko kelkan tulisi nousta ylöspäin ja kallistua sivulle patin muotoja noudattaen. Meikäläisellä kelkkareitillä matkanteko jousittamattomalla kelkalla olisi toivottoman hidasta.

Kun jousitettu suksi törmää pattiin lähtee suksi ja tukivarsirakenne liikkeeseen ylöspäin ja kelkka kuljettajineen pysyy kutakuinkin paikoillaan. Kelkka ja kuljettaja edustavat ns. JOUSITETTUA MASSAA ja suksi tukivarsineen ns. JOUSITTAMATONTA MASSAA.

Massojen suhde on kelkan kyseessäollen 350 kg/10 kg joten on selvää, että pienemmän massan on helpompi lähteä liikkeelle. Patin aikaansaama liike-energia varastoituu osaltaan jouseen ja osaltaan kuluu iskunvaimentimen öljyvirtaukseen. Kun patti on ylitetty jousi purkaa energiansa ja palauttaa suksitukivarsi kokonaisuuden alkuasentoon. Jotta tämä paluuliike ei olisi liian äkkinäinen ja vältyttäisiin uudelta pompulta on iskunvaimentimessa vetovaimennusta ja osa jousen energiasta kuluu öljyn virtauttamiseen.

Vipusuhde
Tärkein jousituksen ominaisuuksia kuvaava elementti on epäilemättä VIPUSUHDE ja vipusuhteen muuttuminen joustoliikkeen aikana. Vipusuhde kuvaa jousitetun elementin esim. suksen liikkeen suhdetta iskunvaimentimen männänvarren liikkeeseen.

Joissakin tapauksissa iskunvaimennin ja jousi ovat erillisten vipumekanismien käyttämiä, joten myöskin vipusuhteet käyttäytyvät eri tavalla. Vipusuhteeseen liittyvät myös käsitteet progressiivinen, lineaarinen ja degressiivinen. Yamahan käyttämä TS-etujousitus; rakenteessa suksi on kiinnitetty suoraan jousi/iskunvaimennin elementtiin. Ts. suksen liikkuessa yhden senttimetrin myös jousi puristuu saman matkan ja vaimentimen mäntä liikkuu myöskin samaisen sentin. Kun tämä tapahtuu koko joustoliikkeen matkalla on jousitus lineaarinen ja jousituksen vipusuhde 1:1.

Jousitustoimintojen kannalta TS-tyyppinen rakenne on hyvä. Lineaarinen joustokäyrä ja se, että jousi ja vaimennusvoima vaikuttavat ilman vipumekanismeja suoraan sukseen on perusratkaisuna terve. Rakenteelliset tekijät, kuten liukuputkien kitka ja ohjaustoimintojen kytkeminen ko. tyyppiseen rakenteeseen aiheuttavat suunnittelijoille päänvaivaa.

Polariksen markkinoille tuoma ja nykyään paljon käytetty tukivarsityyppinen etujousitus; suksi liikkuu ylös-alas suuntaan kahden poikittaistukivarren ja yhden pitkittäistukivarren varassa. Jousi/iskunvaimennin on kiinnitetty yläpäästään runkoon ja alapäästään pitkittäistukivarteen. Rakenteessa iskunvaimentimen liikesuunta ei ole sama suksen liikesuunnan kanssa ja kun vaimentimen liikesuunta muuttuu joustoliikkeen mukana aiheutuu rakenteesta omat ongelmansa.

Joustoliikkeen alussa vaimentimen liikesuunnan ja suksen liikesuunnan välinen kulma on noin 40 astetta. Tässä tarkastelussa suksen on oletettu liikkuvan suoraviivaisesti ylös-alas suuntaan, käytännössä suksen liike on tukivarsien muodostama ympyrän kaaren osa. Em. liikerata vaikuttaa jousitusgeometriaan edullisesti.

Liikeratojen välinen 40° kulma aiheuttaa sen, että suksen liikkuessa yhden senttimetrin vaimennin liikkuu 0,75 senttiä, näin vipusuhteeksi muodostuu 0.75:1 eli 0.75. Em. kaltaisen jousitusrakenteen toiminta; jousen jäykkyydeksi on valittu 3.0 kg/mm ja esijännitystä on 10 mm. Niinpä jousivoima liikkeen alussa on 30 kg. Koska jousivoima ei ole suksen liikkeen suuntainen, niin suksea alaspäin painavaksi voimaksi tulee: AKSELIVOIMA = VIPUSUHDE x JOUSIVOIMA = 0.75 x 30 kg = 23 kg.

Vipusuhteen arvo ei määrittele jousituksen hyvyyttä tai huonoutta. Motocrosspyörien takajousituksessa suhde voi olla 0.4 luokkaa eli takapyörä voi joustaa 300 mm kun vaimennin liikkuu vain 120 mm.

Se miten vipusuhde joustoliikkeen aikana muuttuu ja mihin suuntaan on sen sijaan oleellinen asia.

Vaimentimen liikesuunnan ja suksen liikesuunnan välinen kulma suurenee alkuasetelman 40°:sta jouston lopun 60°:een. Tämä merkitsee, että vipusuhde putoaa 0.75->0.5.

Käytännössä jouston lopussa senttimetrin suksen liikettä vastaa puolen sentin vaimentimen liike, kun jouston alkuvaiheessa vaimennin liikkui 0,75 cm vastaavalla suksen liikkeellä.

Tämän tyyppistä joustokäyrää nimitetään degressiiviseksi.

Suksea alaspäin painavan voiman (=akselivoima) osalta tilanne on vähän kehnonlainen, kuten taulukko kertoo. Jouston lopussa jousivoimasta vain puolet apinaa suksea alaspäin, suurimman osan voimasta painaessa tukivarsia ulospäin.

Toki oikeilla jousi- ja vaimennusvalinnoilla tilannetta voidaan korjata ja käytännön tilanne on parempi kuin tämä teoreettinen tarkastelu osoittaa.

Olemme koko ajan puhuneet jousivoimasta ja sen käyttäytymisestä, mutta luonnollisesti koska kysymys on ollut vaimentimen liikkeistä myös vaimennusteho käyttäytyy jousivoiman tavoin.

Akselivoimien ero pohjaanlyöntitilanteessa on melkoinen. Em. rakenteella päädytään 166 kg akselivoimaan, kun lineaariliike 0.75 vipusuhteella antaisi 245 kg.

Toivottavasti tämä etupäärakenteiden tarkastelu on selvittänyt jousitustekniikan perusteita. Samoihin asioihin törmätään luonnollisesti myös telastoranteissa.

Jousitusgeometria ei kuitenkaan yksistään ratkaise kelkan ajettavuutta, vaan hyvin monet muut tekijät vaikuttavat siihen millä vauhdilla patit pystytään ylittämään. Hyvä perusgeometria aiheuttaa kuitenkin huomattavasti vähemmän päänvaivaa kuin jousitus, jonka liikeradat eivät ole lähellä lineaarista tai mieluummin lievästi progressiiviset.