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.

image003

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 עריסה – זוהי השלדה הפשוטה והבסיסית ביותר, שהייתה נפוצה ברוב האופנועים הישנים יחסית (עד שנות ה-90) וכיום ניתן למצוא אותה באופנועי ד"וש 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.

image005

 

  • 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.

image009image007

 

  • 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.

image013      image011

 

  • 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.

image017image015

 

  • 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.

image019

  • 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.

image021

  • 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 ובגיאומטרית ההיגוי של האופנוע.

image025image023

גיאומטרית ההיגוי באופנוע

image027

לשלדה, מעבר לתפקידים שצוינו קודם, תפקיד נוסף וחשוב לא פחות והוא קביעת אופיו של האופנוע. באופנוע ספורטיבי נרצה היגוי חריף ומהיר המאפשר שינויי כיוון מהירים. באופנוע תיור חשובה היציבות הכיוונית יותר מזריזות ההיגוי ולכן נרצה היגוי איטי ויציב יותר. בתוך כל הדרישות הללו אנו מצפים מהיגוי האופנוע שיעשה בדיוק את מה שאנו דורשים ממנו ובסופו של דבר ישאף תמיד לחזור למצבו הישר. הדבר המשפיע אולי יותר מכל על קביעת אופיו של האופנוע הוא מבנה השלדה או יותר נכון גיאומטרית ההיגוי של השלדה – דהיינו מיקום צירי הגלגלים באופנוע יחסית לשלדה וזווית ציר ההיגוי. על מנת להבין את גיאומטרית ההיגוי עלינו להכיר את המושגים המכילים אותה:

  • זווית קדם האופן (CASTER)זווית קדם האופן היא הזווית של ציר ההיגוי ביחס לאנך. זווית קדם האופן גורמת לכך שהגלגל הקדמי ישאף להיות מיושר בזמן הנסיעה ולהתנגד לסיבובו. קיום זווית קדם האופן גם מאפשרת את חזרת הכידון למצבו הישר לאחר סיום הפניה. ככל שזווית קדם האופן גדולה יותר, כך ההיגוי "כבד" וקשה יותר. איך זה מתקבל אם כן? בגלל שציר ההיגוי חותך את הקרקע לפני הגלגל (בדומה לעגלת הקניות), כך שהגלגל מאולץ לנוע מאחורי הציר וע"י כך לשמור על הכיוון. זווית חיובית מנסה ליישר את הגלגלים, וזו אחת הסיבות שההגה חוזר לבד למקומו לאחר פנייה. כאשר דוחפים את האופנוע אחורנית, מתקבלת זווית  שלילית המעניקה לרוכב היגוי רך יותר ושואפת להמשיך את סיבוב הכידון ולא ליישרו.

image029

  • מפסע (Trail)המפסע הוא המרחק בין נקודת המגע של הצמיג עם הכביש לבין המשך ציר ההיגוי הנפגש עם הכביש. המפסע הוא חלק מהגורמים לקבלת היתרונות שהתקבלו ביצירת זווית קדם האופן. ככל שהמפסע גדול יותר כך הכידון ישאף לחזור למצבו הישר וכך גם ההיגוי יהיה כבד וקשה יותר. לעיתים בשל שיקולי תכנון שונים, הטיית המזלג בזווית אופטימלית יוצרת מפסע גדול מידי והיגוי איטי ולכן יש צורך להקטין בדרך כלשהיא את המפסע, מבלי לפגוע בזווית ההיגוי. הפתרון הוא פשוט מאד, ונעשה ע"י הסטת כל המזלג מעט קדימה מציר ההיגוי. מרחק ההסטה נקרא באופן טבעי "היסט". אפשרות נוספת להקטין או להגדיל את המפסע היא במיקום ציר הגלגל הקדמי. מיקום ציר הגלגל בחלקו הקדמי של בולם הזעזועים יקטין את המפסע ולהיפך.

image031

  • היסט (Offset) בראש ההיגוי ממוקם משולש ההיגוי אשר הקדקוד המרכזי שלו משמש את ציר ההיגוי, ואילו שני האחרים משמשים את הבולמים של המזלג. ציר ההיגוי והבולמים אינם ממוקמים על אותו ציר חלוקה, בדרך זו מוסט המזלג קדימה מציר ההיגוי, וקטן המפסע. ככל שהמרחק בין ציר ההיגוי לבולמים יהיה גדול יותר, כך ההיסט יהיה גדול יותר והמפסע קטן יותר.

image032

 

  • בסיס הגלגלים (Wheel base) בסיס הגלגלים הוא המרחק בין ציר הגלגל הקדמי לבין ציר הגלגל האחורי. ככל שבסיס הגלגלים יהיה ארוך יותר, כך היציבות הכיוונית (בנסיעה ישרה) תהיה טובה יותר, האופנוע יהיה פחות תזזיתי ויותר נעים לנהיגה אך יציבותו בסיבובים חדים תהיה מוגבלת וההיגוי ירגיש כבד. לעומת זאת ככל שבסיס הגלגלים יהיה קטן יותר, כך אופי הרכיבה יהיה ספורטיבי יותר, ההיגוי יהיה מהיר וחריף יותר. כל זה קורה מכיוון שכשבסיס הגלגלים ארוך, קשת הסיבוב שהגלגל הקדמי והאחורי "מציירים" על הכביש רחבה ונוצר מומנט גדול על ציר הגלגל האחורי השואף לזרוק אותו אל מחוץ לקשת הסיבוב (המרחק הגדול בין צירי הגלגל משמש כמנוף). תחושה זו מועברת לנהג כאיבוד אחיזה והחלקת הגלגל האחורי.