Всегда в контакте. Устройство передней подвески и рулевого управления мотоцикла.

Текст: Артем ‘S1LvER’ Терехов

Не подумайте, это не рассказ о популярной социальной сети. Оставим такие статьи гламурненьким журналам, и займемся вещами поинтереснее. А именно - поговорим о передней подвеске, а также о связанном с ней элементе конструкции байка – рулевом управлении.

Главные задачи подвески – поглощение неровностей дорожного полотна при постоянном поддержании контакта колес с дорогой. Для этих целей нужно взять что-то, что может сжиматься и растягиваться – пружина идеально подойдет нашим запросам. Однако, использование только пружин, без дополнительных устройств, привело бы к очень некомфортной езде. Чтобы управлять колебаниями, потребуется некий способ их демпфирования, лучшей средой для этого может послужить масло.

В общем, комбинация «масло-пружины» является наиболее популярной при конструировании передней подвески. Вопрос в том, как все это расположить в сочетании с рулевым управлением. Мотопроизводители пробовали различные конструкции: телескопическая вилка, рычажные вилки толкающего и тянущего типов, рычажная подвеска автомобильного типа и параллелограмная вилка (например – трехколесный Piaggio MP3).

Схема рулевого управления на всех мотоциклах очень похожа – байки «унаследовали» этот механизм от велосипедов. Рассказывать о нем особенно нечего – это труба, связанная с передним колесом, которая поворачивается относительно рамы. Различия в конструкции связаны с различиями в схеме подвесок – но в любом случае, принцип остается одним и тем же.

Неподрессоренные массы – самые важные массы в мире

Что же это такое, и почему производители каждый раз исполняют ритуальные танцы, когда «удалось снизить неподрессоренные массы на целых 50 грамм»? Дело в том, что масса всех узлов мотоцикла глобально подразделяется на две категории. Первая – масса узлов, опирающихся на подвеску («подрессоренные массы»). Сюда относится все, на что распространяется эффект работы подвески – мотор, рама, пластик, лампочки поворотников, кнопка «гудка» - в общем, все то, что поддерживается подвеской. Масса остальных узлов, тех, которые не опираются на подвеску, называется «неподрессоренной».

Чтобы легче было разобраться с понятием неподрессоренных масс, представьте мотоцикл, снятый с подставки и располагающийся вертикально. Когда райдер садится на мотоцикл, пружины сжимаются под грузом его веса. Все узлы мотоцикла, перемещающиеся при посадке водителя и сжатии пружин, представляют собой подрессоренные массы, они перемещаются вместе с подвеской. Все остальные узлы, которые при этом не перемещаются, представляют собой неподрессоренные массы – это колеса, шины, тормоза и т.д.

Все, что вы видите на этом кадре, относится к неподрессоренным массам мотоцикла

Тогда у вас наверняка всплыл вопрос – а куда в таком случае нужно относить саму подвеску? Для простоты принято считать, что часть рычага подвески (это мы сейчас о задней подвеске), располагающаяся за точкой крепления амортизатора, относится к неподрессоренным массам, а часть, которая находится перед точкой крепления, относится к подрессоренным массам. Нижняя половина амортизатора – к неподрессоренным, верхняя – к подрессоренным. В случае с передней подвеской – подвижная часть относится к неподрессоренным массам, неподвижная – к подрессоренным.

Почему всему этому уделяется так много внимания? Придется немного залезть в физику. При наезде мотоцикла на неровность неподрессоренные массы приобретают импульс, поскольку они начинают перемещаться. Величина этого импульса пропорциональная неподрессоренной массе. Импульс, создаваемый неподрессоренными узлами, увеличивает нагрузку на подвеску, для противодействия ему нужны более жесткие пружины. При этом на подрессоренные узлы байка пружинами передается большее усилие, влияющее на их работу. Подобная ситуация встречается при попадании неподрессоренных узлов в выбоину.

Еще один важный аспект в вопросах масс – момент инерции, возникающий, когда райдер хочет повернуть мотоцикл. Чем больше неподрессоренные массы – тем больше мотоцикл «думает и сопротивляется», прежде чем соизволит наклониться в поворот.
Поэтому для идеальной со всех сторон работы подвески необходимо, чтобы неподрессоренных масс не было вовсе, однако это нереально. Суть заключается в максимальном облегчении неподрессоренных элементов по отношению к подрессоренным – такое соотношение является даже более важным, чем сама величина неподрессоренных масс.

По такому соотношению очень хорошим байком выглядит… Honda GoldWing. У него очень большая масса подрессоренных узлов, гораздо большая, чем на многих мотоциклах. При этом неподрессоренные массы примерно те же, что и у других мотоциклов. Однако на спортивных байках массу стремятся свести к минимуму, поэтому в ход идут все приемы, которые можно использовать при серийном производстве: установка облегченных тормозных суппортов, колесные диски из кованого алюминия, которые легче литых. Если конкурентоспособная цена не является приоритетом, пускаются «во все тяжкие»: легкие моноблочные суппорты, колеса из магниевого сплава или углеволокна. В мире неподрессоренных масс несколько десятков грамм экономии – уже победа, а если счет идет на сотни грамм – инженеры радуются как маленькие дети.

Неподрессоренные массы, может, и не самые маленькие в мире, но их отношение к подрессоренным у байка хорошее. Honda Gold Wing

Телескопическая вилка – выбор миллионов

Такая вилка является наиболее часто применяемой схемой передней подвески, что нетрудно заметить, глядя на современные серийные мотоциклы. Она состоит из двух «перьев» вилки, зажатых в поперечных траверсах, которые являются частью рулевого управления. Ось колеса проходит через нижнюю часть обоих перьев вилки, а колесо располагается между ними.
У стандартной вилки верхние (неподвижные) трубы зажаты в траверсах. На неподвижной трубе плотно устанавливается нижняя (подвижная) труба вилки, которую отливают из легких сплавов во имя снижения НМ. Внутри каждой стойки располагается пружина, за счет которой подвижная труба перемещается по неподвижной.

Неподвижная часть вилки зажата в двух траверсах. Kawasaki Ninja ZX-6R 2008

В качестве передней подвески «телескоп» неплохо справляется со своими обязанностями. Он обеспечивает достаточный ход подвески и относительно небольшую НМ. Главный недостаток заключается в невысокой жесткости – вилка обладает достаточной степенью гибкости, которая полезна только в небольшом количестве. Для повышения жесткости часто используют дополнительную траверсу.
Очень важным условием качественной работы любой вилки является трение между ее трубами. Сейчас на большинстве вилок между двумя трубами для уменьшения статического трения (начальное сопротивление между деталями до начала их движения) устанавливаются сменные втулки из низкофрикционного материала, содержащего тефлон. Кроме того, производители используют (и не забывают преподавать это как крутую «фишку» мотоцикла) различные антифрикционные покрытия подвижных частей вилки.

Сейчас традиционные вилки все больше и больше вытесняются «перевертышами». В принципе, это стандартная вилка, перевернутая вверх ногами так, что большая по диаметру труба, которая до этого была подвижной, становится неподвижной и зажимается в траверсах, а внутренняя труба, которая до этого была неподвижной, располагается внизу. Перевернутые вилки жестче традиционных, есть также и некоторый выигрыш в снижении неподрессоренных масс. Подвижные трубы, покрытые нитридом титана, сегодня вполне типичны для спортивных и кроссовых мотоциклов.

Вилки мопедов и скутеров проще тех, что устанавливаются на мотоциклы – здесь главным фактором является стоимость. Из-за более низких скоростей достаточно простой подвески. Скутеры часто оснащаются упрощенной телескопической вилкой, у которой две верхних трубы в сборе с нижней траверсой и трубой рулевой колонки представляют собой единую конструкцию.

Вилка скутера Gilera Runner

Пара слов о пружинах

В идеальном варианте желательно наличие прогрессивной характеристики или повышающейся жесткости, то есть при небольших ударах вилка должна легко перемещаться, а при дальнейшем сжатии вилки сопротивление перемещению должно постоянно увеличиваться, чтобы большие удары не вызывали пробоя вилки.
В самых простых пружинах витки навиты равномерно (расстояние между ними одинаково), что придает пружине постоянную жесткость.  Это наиболее простые и недорогие в изготовлении пружины.

Пружина с постоянным шагом навивки

Иногда производители объединяют две пружины различных пружины постоянного шага, расположив их одну над другой. Первая пружина сжимается легко и служит для поглощения небольших неровностей и ударов, обеспечивая достаточную плавность во время езды. По мере усиления ударов близлежащие ветки первой пружины встречаются друг с другом и образуют собой твердый стержень. После этого в действие вступает вторая, более жесткая пружина, которая справляется с продолжительным поглощением больших неровностей. Такая схема немного поднимает стоимость подвески, хотя в изготовлении она все так же проста.

В качестве альтернативы можно использовать одну пружину, навитую таким образом, чтобы шаг ее витков постепенно возрастал от одного конца к другому – это обеспечивает прогрессивную характеристику подвеске. Плата за улучшенный комфорт и нормальную работу на различных по качеству дорогах – высокая стоимость и трудоемкость производства.

Пружины с переменным шагом, обеспечивающим прогрессивную характеристику

Демпфирование

Когда байк наезжает на «особенность» дороги, энергия удара поглощается за счет пружин. Естественно, пружина тут же стремится передать эту энергию подрессоренным массам (ПМ) машины. Амортизацией, или демпфированием, называют управление скоростью реагирования пружины. Отсутствие амортизации означало бы веселое раскачивание мотоцикла при последовательном проезде нескольких неровностей подряд.

В основе стандартного масляного демпфирующего устройства лежит клапан или отверстие определенного диаметра в нижней части трубы вилки, заполненной маслом. При перемещении подвижной трубы вверх масло вынуждено вытекать через клапан или сверление в трубу. Когда же труба движется вниз, масло оказывает сопротивление перемещению подвески. Таким образом предотвращаются поползновения пружин «раскачать этот мир» в масштабе отдельно взятого байка.

Для комфорта райдера лучше всего, если колесо может свободно перемещаться, реагируя на неровности полотна. Однако инженерам приходится думать не только о комфорте – необходим демпфирующий эффект для улучшения управляемости. Кроме того, степень демпфирования должна зависеть от скорости сжатия и растяжения вилки – поэтому клапан в вилке далеко не один, используются различные отверстия. При достижении некоторого предельного давления масла из-за высокой скорости сжатия или растяжения (большие колдобины наших дорог к вашим услугам) используются дополнительные клапана. Амортизация достигается за счет применения поршневого амортизатора или картриджного демпфера – оба закрепляются болтами к основанию подвижной трубы вилки и располагаются в полости для масла.

Теперь давайте поговорим подробнее о каждой схеме.

Чаще всего используется вилка с поршневым амортизатором. Поршень представляет собой трубу с отверстиями, расположенную в масле. В верхней части сечение поршня больше, на нем располагается уплотнительное кольцо, которое опирается на внутреннюю стенку трубы вилки. При перемещении подвижной трубы вилки вверх или вниз поршень амортизатора вынуждает масло перетекать через различные отверстия. В основании трубы вилки располагается обратный клапан, который позволяет маслу перетекать при сжатии вилки, а при растяжении закрывается и исключает перетекание. За счет этого достигаются необходимые характеристики демпфирования, обеспечивающие комфорт при сжатии вилки и управление при растяжении.

Принцип действия вилки картриджного типа также основывается на перетекании масла через дросселирующие клапана, но картриджный демпфер отличается наличием на конце штока поршня множества отверстий. Шток выходит из картриджа и прикрепляется к верхней части вилки таким образом, чтобы при сжатии или растяжении вилки поршень мог перемещаться внутри картриджа. Клапана, демпфирующие сжатие, находятся в основании картриджа. Клапана, демпфирующие отбой (обратный ход при растяжении), располагаются на поршне. При сжатии вилки клапана отбоя закрываются, и поршень вытесняет масло через клапана сжатия. При растяжении вилки клапана отбоя открываются и впускают масло.

Разрез вилки Suzuki GSX-R750 2004, тюнинг-комплект от Axxion

Клапана состоят из низкоскоростных и высокоскоростных масляных каналов (когда говорят о подвеске, имеется в виду скорость сжатия-растяжения, а не скорость движения мотоцикла). Низкоскоростные каналы могут иметь фиксированное сечение – следовательно, обеспечивать демпфирование с постоянным сопротивлением, или выполняться регулируемыми. Такие каналы предназначены обеспечивать поглощение небольших неровностей дороги. Средне- и высокоскоростные масляные каналы начинают действовать при возрастании давления из-за повышения скорости перемещения. Они предназначены для поглощения больших неровностей полотна.
Управление перемещением со средней и высокой скоростью осуществляется при помощи пакета пластин различного диаметра и толщины, уложенных друг на друга и перекрывающих отверстия, через которые проходит масло. При средней скорости перемещения, вызванного небольшими неровностями дороги, тонкая пластина большого диаметра легко прогибается под давлением жидкости и обеспечивает ее перетекание, но величина прогиба ограничивается пластинами большей толщины и меньшего диаметра. Перемещение с высокой скоростью (например, когда байк наезжает на поребрик трека или колесо проваливается в выбоину) создаст дополнительное давление, в результате чего прогнуться пластины меньшего диаметра и большей толщины, и увеличится объем масла, проходящего через отверстия.

Тонкая настройка «телескопа» картриджного типа заключается в подборе количества и диаметра отверстий в поршне и количества и размера пластин. На гоночных байках регулировать такую вилку гораздо проще, поскольку условия и нагрузки известны заранее и имеют не слишком широкий диапазон.
К слову, Алексей с дружественного нам сайта moto.swissblog.ru недавно написал превосходную статью о настройках подвесок. Рекомендуем ее к ознакомлению тем, кто интересуется не только теоретической стороной, но также ищет практических советов по этому вопросу.

Что лучше?

Картриджная вилка обеспечивает лучшее качество демпфирования по сравнению с поршневым амортизатором – в основном потому, что процессы сжатия и отбоя разделены за счет использования разных клапанов. Другое преимущество «картриджа» - на его работу не влияют пузырьки воздуха, которые попадают в масло при сжатии и растяжении вилки. Просто потому, что они не попадают в механизм, как это случается в поршневых амортизаторах. Главный недостаток «картриджа» заключается в повышенном износе – внутренняя поверхность алюминиевой внешней трубы анодируется для предотвращения износа при перемещении по ней втулок внутренней трубы. Но у анодированной поверхности не гладкая структура, поэтому она изнашивает втулку, сдирая с нее частицы тефлона, которые затем попадают в масло.
В картриджных вилках скорость перетекания масла очень высокая, поэтому эффективность работы вилки сильно зависит от изменения свойств амортизационной жидкости. По мере ее загрязнения увеличивается скорость износа и повышается вероятность попадания в пакеты пластин различных частиц. Тут каждый производитель выкручивается как может: например, Yamaha на своем R1 устанавливает втулки в наружной трубе так, чтобы по ним перемещались внутренние трубы, покрытые хромом, а не наружные трубы из анодированного алюминия.

Большой поршень в деле

Последняя разработка в сфере телескопических вилок – технология «Большого поршня» (BPF, Big Piston Fork) от японцев из Showa. Объем масла в такой вилке больше, давление, соответственно, меньше, что означает меньшую скорость перемещения масла. Наилучшим образом это влияет на низкоскоростное демпфирование, иными словами – при сильном торможении байк менее склонен к «клевку носом». Кроме того, упрощение конструкции облегчает вилку и уменьшает НМ.

Разрез BPF-вилки Kawasaki ZX-6R 2009

«Большой поршень» дебютировал на Kawasaki ZX-6R 2009 и сразу получил множество восторженных отзывов в прессе – чуть ли не каждый журналист спешил сообщить о лучшем контроле переднего колеса и более четкой и плавной работе подвески. С 2010 года BPF оснащается и старший братик 600-кубовой «Ниндзи» - ZX10R.

Сравнение картриджной вилки и BPF-вилки. Оранжевым отмечены детали, от которых удалось избавиться применением технологии Большого поршня

****

Мы с вами разобрались в устройстве телескопической вилки – самой распространенной схемы передней подвески в мотоциклетном мире. На следующий раз оставим всякую экзотику: антиклевковые системы, рычажные (в частности, механизм Bimota Tesi 3D), пневматические и параллелограмные вилки. Кроме того, разберемся с тем, что означают некоторые геометрические параметры байка и как они влияют на управляемость. До скорого!