Kirjaimellisesti ainutlaatuista – esittelyssä opinnäytetyönä tehty enduropyörä

Tuoreet konetekniikan insinöörit Jere Laine ja Tommi Riite tekivät opinnäytetyön valmistusmenetelmistä polkupyörän suunnittelussa ja valmistuksessa. Opinnäytetyön yhteydessä syntyi kirjallisen osuuden lisäksi täysiverinen useita valmistustekniikoita yhdistelevä enduropyörä. Pääsimme tutustumaan hieman tarkemmin tarinaan tämän hyvin ainutlaatuisen pyörän taustalla.

Tammikuun aikana monet pyöräilysomea seuraavat saattoivat havaita kuvia melko erikoisesta suomalaisesta pyörästä. Jere Laineen ja Tommi Riiteen opinnäytetyönä valmistettu enduropyörä on monella tavalla hyvin ainutlaatuinen. Rungon valmistaminen itse on kohtalaisen harvinaista. Ja jos päätyy valmistamaan pyörän rungon omin käsin, tehdään se useimmiten teräksestä. Jere ja Tommi valitsivat projektiinsa kuitenkin äärimmäisen paljon harvinaisemman materiaalien ja menetelmien yhdistelmän. Rungon etukolmio on valmistettu alumiinimuhveista, ja hiilikuituputkista, kun taas takahaarukka on valmistettu koneistamalla. Lisäksi takajousituksen kinematiikaksi on valittu paljon perinteikästä single pivot -ratkaisua monimutkaisempi high pivot -toteutus. Aiheeseen liittyviä hyödyllisiä linkkejä muun muassa pyöränrakennusfoorumille ja opinnäytetyöhön löydät tämän jutun lopusta.

Tällaista pyörää ei tule joka päivä poluilla vastaan.

Pyörän tekijät

Tutustutaanpa lyhyesti pyörän tekijöihin ennen kuin sukellamme syvemmälle pyörän teknisiin puoliin. Jere ja Tommi ovat vastavalmistuneita konetekniikan insinöörejä Metropolian ammattikorkeakoulusta. Tommilla on taustaa motocrossin puolelta, mutta harrastus on vähitellen hivuttautunut maastopyöräilyä kohti. Tommi on jo aiemmin valmistanut itselleen levytyönä kaasukahvallisen sähköpyörän, johon on myös tehnyt akun itse. Myöhemmin Tommin harrastukseen on tullut mukaan tieliikennekelpoiset sähköpyörät ja luomujäykkäperä, ja nyt suunnitteilla on ensimmäinen endurokisapyörä. Jere osti ensimmäisen kunnon enduropyörän kesällä 2021 ja hurahti välittömästi täysin lajiin. Heti ensimmäisenä vuonna maastokilsoja kertyi yli 2000. Jerellä on myös kilpailukokemusta gravity cupista sekä fundurosta, josta parhaana saavutuksena on kuudes sija.

Vitsistä opinnäytetyön aiheeksi

Jerellä oli ollut rungon rakentaminen haaveena jo pidemmän aikaa ennen tähän projektiin ryhtymistä. Etäopiskelun ja aiheesta kiinnostuneen opiskelukaverin puuttumisen johdosta Jere ehti kuitenkin jo hiljalleen luopua haaveesta. Palattuaan koronapandemian jälkeen lähiopetukseen  Jere kuuli valmistustekniikan kurssilla, kun Tommi ja kurssin opettaja Tero Karttiala selasivat tietoja markkinoilla olevista koneistetuista rungoista (esim. Actofive ja Pole) ja vitsailivat riittäisikö koulun koneissa tilaa sen kokoisille aihioille. Sen verran tosissaan he kuitenkin olivat, että kävivät rullamitalla tutkimassa hieman koulun laitteistojen mittoja. Jere tarttui välittömästi tähän puolivitsillä ilmoille heitettyyn ajatukseen. Asiat etenivät tämän jälkeen nopeasti siihen pisteeseen, että Jere ja Tommi havaitsivat tämän voivan olla heidän opinnäytetyönsä aihe.

Jeren ja Tommin motivaatio oman rungon rakentamiseen on saanut alkunsa halusta pystyä itse valitsemaan mielestään parhaat valmistustekniikat ja käyttämään omasta mielestään parhaita standardeja. Isojen valmistajien laatuongelmat ja suuret valmistustoleranssit saivat myös innokkaat insinööriopiskelijat etsimään vaihtoehtoisia ratkaisuja.

Takajousituksen kinematiikka

Tarkkasilmäiset pyöräspeksaajat saattavat havaita takajousituksen ratkaisussa yhtäläisyyksiä saksalaisen Kavenz VHP:n kanssa. Kavenzin pyörät ovatkin olleet inspiraation lähteenä projektin alkumetreiltä asti. Opinnäytetyön alkuvaiheissa Jere otti yhteyttä Kavenzin perustajaan Giacomo Großehagenbrockiin, sillä hän halusi varmistaa, että Kavenzille sopisi melko paljon VHP-alustaa muistuttavan jousitusratkaisun käyttö projektissa. Großehagenbrock kiinnostui projektista ja antoi luvan jousitusratkaisun käyttöön. Kinematiikan Jere ja Tommi kuitenkin suunnittelivat itse muun muassa Linkage X3 -ohjelmaa hyödyntäen. Pyörän lopullinen kinematiikka muistuttaa Kavenzin VHP-alustaa pienin eroavaisuuksin muun muassa päänivelpisteen korkeuden, horst linkin sijainnin ja linkuston mittojen osalta. Tämän lisäksi Kavenz suostui myös myymään opinnäytetyötä varten nivelpisteiden akselit, holkit, idler pulleyn ym. kiinnitysosia. Ainoana toivomuksena Großehagenbrockilla oli, että projektin aikana tietoa jaetaan myös heille ja että Kavenz mainitaan opinnäytetyössä inspiraation lähteenä projektille. Tämän kokoluokan opinnäytetyössä valmiiksi suunnitellut ja tarkkoja toleransseja vaativat osat oli hyödyllistä ulkoistaa, jotta muille työvaiheille jäisi riittävästi aikaa. Tarkemmin takajousituksen kinematiikan kehitysprosessiin voi tutustua opinnäytetyöstä.

Materiaalivalinnat ja valmistusmenetelmät

Opinnäytetyössä haluttiin tutkia pyörän valmistamista menetelmillä, joissa valmistuksen aikana runkoon ei tuoda lämpöä. Merkittävin syy tähän lähestymistapaan oli se, että näin pystytään säilyttämään erittäin tarkat valmistustoleranssit. Siten pääasiallisiksi valmistusmenetelmiksi valikoituivat koneistaminen ja liimaaminen. Materiaaleiksi valikoituivat alumiini ja hiilikuitu. Rungon takakolmio sekä etukolmion muhvit ovat alumiiniseoksesta 7075-T651 valmistettuja. Tämä on samaa materiaalia, mitä muun muassa Pole käyttää koneistetuissa rungoissaan. Projektissa tarvittava alumiini hankittiin Metropolia Motorsportin yhteistyökumppanilta Alumecolta. Hiilikuituputket tilattiin eurooppalaiselta toimijalta mittatilauksena.

Näistä materiaaleista saatiin pääasiassa koneistamalla ja liimaamalla valmistettua enduromaastopyörä.

Useamman materiaalin yhdistelmärakenteella pystyttiin käyttämään materiaalia, jolla on samat ominaisuudet joka suuntaan (isotrooppinen materiaali) osissa, joissa kuormitukset ja geometriat ovat monimutkaisia. Näihin rakenteisiin valikoitui siis materiaaliksi alumiini.  Yksinkertaisimmissa kuormitustiloissa ja geometrioissa materiaaliksi valikoitui hiilikuitu, jonka ominaisuudet voivat hiilikuidun tyypistä riippuen olla suuntariippuvaisia (anisotrooppinen materiaali). Etukolmion hybridirakenteella pystyttiin myös pienentämään valmistusvirheiden kustannusriskiä. Koneistetun etukolmion kohdalla valmistusvirhe erityisesti koneistuksen loppuvaiheessa aiheuttaisi huomattavan määrän hukattuja työtunteja ja materiaalia. Monelle tulee varmasti pyörää katsellessa mieleen brittiläinen Atherton bikes, joka 3D-tulostaa metallisia muhveja ja käyttää hiilikuitukomposiittia putkiosiin. Myös Atherton bikes on ollut inspiraation lähteenä tämän pyörän kehitystyössä.

Ennen aikaa ja materiaalia vaativan koneistamisen aloittamista alumiinimuhveista tehtiin 3D-tulostamalla testikappaleet, jotta niiden yhteensopivuus hiilikuituputkien kanssa voitiin varmistaa. 3D-tulostaminen on myös teollisessa mittakaavassa hyödyllistä tämän tyyppiseen viimeiseen suunnitelmien tarkastamiseen ennen esimerkiksi massatuotannon aloittamista.

Muhvien ja hiilikuituputkien yhteensopivuuden testausta muovista 3D-tulostetuilla muhveilla ennen koneistusta.

Koneistamisen merkittävimmät hyödyt ovat tarkka materiaalipaksuuden hallinta ja että menetelmällä pystytään valmistamaan hyvin monimutkaisia muotoja. Merkittävimmät haittapuolet ovat yleensä tuotantokustannukset niin ajan kuin materiaalien osalta. Koneistamisen osalta projektin monimutkaisimmaksi osaksi osoittautui keskiön muhvi sen monimutkaisten muotojen johdosta. Lopputulos on kuitenkin suorastaan silmiä hivelevä.

Takakolmion osalta päädyttiin koneistettuun alumiiniseen modulaariseen rakenteeseen pulttiliitoksilla. Tämä mahdollistaa pyörän jatkokehityksen esimerkiksi takakolmion jäykkyyden ja massan säädössä. Myös dropoutit ovat vaihdettavissa, joten pyörään voidaan kehittää eri mittaisia takahaarukan pituuksia. Tätä tullaankin luultavasti testaamaan tulevana kesänä.

Lähes valmis takahaarukan yläputki. Huomaa oikeassa reunassa modulaarisuuden mahdollistava pulttiliitos.

Kun kaikki tarvittavat osat oli koneistettu oli liimausvaiheen vuoro. Alumiinin ja hiilikuitukomposiitin liimaamisessa on tärkeää, että liitoskohtiin ei jää ilmakuplia, joten työ vaatii tarkkuutta. Jotkut valmistajat päätyvät tekemään liimattaville alueille metalliin reikiä, joista ylimääräinen liima pääsee poistumaan, mikä vähentää ilmataskujen syntymisen riskiä. Monen mielestä siistimmän näköisen lopputuloksen saa aikaan ilman näitä reikiä. Tässä projektissa päädyttiin ratkaisuun ilman liimaa ohjaavia reikiä tai kanavia. Liiman sekaan lisättiin pieniä lasikuulia, joiden avulla voidaan varmistaa tasainen liimakerroksen paksuus alumiinisen muhvin ja hiilikuituputken välillä. Tasainen liimakerroksen paksuus on tärkeää liitoksen kestävyyden kannalta ja ehkäisee galvaanista korroosiota alumiinin ja hiilikuidun välillä. Liimausprosessia varten osat kiinnitettiin hitsauspöytään tehtyyn jigiin.

Hitsauspöytään tehty liimausjigi.

Metropolian koneistuslaboratorion kattava konekanta tuli Jerelle ja Tommille hyvin tutuksi opinnäytetyötä tehdessä. He huomauttavatkin, että laboratorion osaavasta ja avuliaasta henkilökunnasta oli paljon hyötyä opinnäytetyötä tehdessä.

Koneistuslaboratorio ja Haas UMC 750 tulivat projektin aikana tutuiksi.

Lopputulos

Lopputulos yllätti opinnäytetyön tekijät erittäin positiivisesti niin ulkonäön kuin toimivuuden suhteen. Pyörä näyttää todella hyvältä, mutta lisäksi se myös toimii heidän mukaansa loistavasti ja linkuston toiminta on erittäin pehmeää. Mainittakoon tässä kohtaa, että jousituksen linkusto on saanut arvoisensa iskunvaimentimen, sillä pyörä on varustettu tunnetusti loistavalla EXT Arialla. Lopulliset osat pyörään hankintaan kevään ja kesän mittaan. Rungon suunnittelussa on ollut kestävyyden suhteen jonkin verran varmuuskerrointa mukana, joten lopullinen runkosetin paino ilman iskaria on hieman yli neljä kilogramma. Tämän tyyppiselle järeälle enduropyörälle painoa voi kuitenkin pitää kohtuullisena.

Tulevaisuuden suunnitelmat

Juuri valmistuneen pyörän lisäksi työn alla on vielä kaksi pyörää, joten yhteensä tämän projektin lopputuloksena valmistuu kolme pyörää. Ensimmäisenä valmistunut protopyörä tulee jäämään Metropolialle markkinointikäyttöön ja tällä hetkellä valmistusvaiheessa olevat pyörät tulevat Jeren ja Tommin omiksi pyöriksi. Projektilla ei ole kaupallisia suunnitelmia, mutta pyörien kehitystä on kuitenkin tarkoitus jatkaa kesällä, kun niille saadaan enemmän testikilometrejä. Muun muassa eri takahaarukan pituuksien testaus on suunnitelmissa, kuten jo aiemmin mainittiinkin. Pyörän tekijät Jere ja Tommi toivovat, että projektista kertynyttä osaamista tuotekehityksestä, tuotesuunnittelusta ja koneistamisesta pääsisi käyttämään työelämän puolella. Tämän opinnäytetyön teoreettinen ja käytännön puoli olivat sen verran laajoja ja moneen aihealueeseen syventyviä, että niistä on varmasti opinnäytetyön tekijöille hyötyä tulevaisuudessa konetekniikan insinöörin töissä. Arvaatte varmasti jo opinnäytetyön arvosanan – totta kai viisi.

Kiitos Jerelle ja Tommille projektin vaiheiden jakamisesta kaikkien ihailtavaksi!

Pyöräprojekti löytyy Instagramista nimellä kovabikes: https://www.instagram.com/kovabikes/

Keskusteluketju pyörän rakentamisen vaiheista Custom Frame Forumilla: https://forum.customframeforum.com/t/thesis-project-machining-a-full-suspension-enduro-bike/2290

Jere Laineen ja Tommi Riiteen opinnäytetyö: https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2023112331113

Artikkelin kuvat: Jere Laine.

Kirjoittanut:

Mika

Kuraläpän viisain ja sydämellisin henkilö, toinen perustajajäsenistä. Mitä Mika ei tiedä, sitä ei kenenkään tarvitse tietää. Tekniikan parissa työtään tekevä Mika nauttii siitä, kun pääsee ajamaan pitkiä lenkkejä mieluiten musiikkia kuunnellen. Kalusto alla vaihtuu fiiliksen mukaan maasturista graveliin. Mika arvostaa myös hyviä oluita, ja onkin paljon mainetta niittäneen Kuraläppä NEIPAn luoja.