Всегда в контакте. Устройство передней подвески и рулевого управления мотоцикла, часть 2

Текст: Артем ‘S1LvER’ Терехов

Продолжаем наш разговор о передней подвеске. Сегодня мы поговорим о нетрадиционных схемах организации подвески и геометрических параметрах мотоцикла, которые оказывают значительное влияние на управляемость.

Нетрадиционная медицина

У любого инженерного решения есть плюсы и минусы. Несмотря на практически повсеместное использование телескопических вилок, у них есть определенные недостатки:

1. Отсутствует разделение сил, действующих на подвеску (торможение, работа подвески, управление). Все силы передаются по всем узлам передней подвески байка, поэтому их необходимо изготавливать более жесткими, а значит, более тяжелыми по сравнению с конструкцией, где эти силы действовали бы по отдельности.
2. Геометрия управления (угол наклона и вылет) изменяются при сжатии вилки. При торможении изменяется колесная база.
3. Большое расстояние между осью колеса и рулевой колонкой приводит к изгибу вилки под нагрузкой.  То же самое – необходимо делать ее более жесткой и тяжелой.
4. Путь распределения нагрузки длинный и не прямой. Это означает, что рама должна быть тяжелее, чем если бы этот путь пролегал по прямой между двумя осями колес.

Напрашивается вывод, что при применении альтернативных конструкций, инженеры стараются решить две основные проблемы – разделить силы, возникающие при торможении, управлении и работе подвески, а также спрямить путь распределения нагрузки, что позволило бы применить меньшую и более легкую раму (или намного более жесткую – при том же весе). При достижении этих целей также происходит снижение неподрессоренных масс и инерции.

Теперь давайте поподробнее рассмотрим альтернативные конструкции, применяющиеся (или применявшиеся) на серийных мотоциклах. На самых ранних мотоциклах использовались параллелограммные вилки. Они так называются из-за параллельного расположения и перемещения двух рычагов. Две жестких стойки, обычно дополнительно усиливаемых треугольными распорками, присоединены к рулевой головке посредством двух качающихся параллельных рычагов. Между ними располагается пружина (с отдельным амортизатором), которая одним концом прикрепляется к поперечине стойки, а другим – к рулевой колонке.

Инженеры Harley-Davidson объединили вилку параллелограммного типа с рычажной вилкой толкающей конструкции, в результате была получена вилка, называемая «спрингер» (springer). Серийно такая конструкция устанавливается на HD FLSTSB Softail Cross Bones, не серийно – на множество кастомов, из эстетических соображений.

Вилка-спрингер. H-D FLSTSB Softail Cross Bones 2009

Главные недостатки параллелограммной вилки – большие неподрессоренные массы и инерционные силы. С другой стороны – жесткость конструкции на хорошем уровне, да и клевок при торможении не такой значительный, как у «телескопа».

Компания BMW использует на многих байках схему, взятую из автомобильного мира, адаптировав ее для мотоциклов. Система Telelever представляет собой подвеску автомобильного типа с поперечным рычагом. Выглядит она несколько странно из-за пары стоек, похожих на перья традиционного «телескопа». Сверху они зажимаются в траверсе, а снизу к ним крепится переднее колесо. При наезде на неровности они сжимаются и растягиваются – как можно было ожидать. Эти стойки вращаются на двух шаровых шарнирах, один из которых располагается между рамой и траверсой, а второй – между распоркой стоек вилки и поперечным рычагом подвески. Стойки не имеют никакого отношения к подвеске мотоцикла – они служат исключительно для управления. Стойки вилки заполняются маслом, а между трубами устанавливаются нейлоновые втулки для снижения трения. Для повышения жесткости между трубами вилки присутствует большое перекрытие. Поперечный рычаг подвески закрепляется на шарнирах, расположенных с обеих сторон двигателя, а спереди он крепится к кронштейну, выполняющему функцию нижней траверсы. Нижний конец пружинно-гидравлического амортизатора крепится к верхней стороне поперечного рычага, а верхний конец амортизатора закрепляется снизу «рамы» за рулевой колонкой (почему «рама», в случае с мотоциклами BMW, взята в кавычки, поговорим в соответствующей статье нашего цикла). Амортизатор работает так же как и используемый в задней подвеске, то есть он сочетает в себе упругие и демпфирующие свойства.

Telelever вседорожника R1200GS от BMW

Telelever обеспечивает разделение усилий, возникающих при торможении, управлении и работе подвески, а также позволяет добиться достаточной жесткости управления. Инерция также снижена, за счет отсутствия внутренностей у стоек вилки, а также незначительно уменьшаются неподрессоренные массы. Одно из главных преимуществ, которые райдер замечает сразу – практически полное отсутствие клевка при торможении, за счет чего обеспечивается почти постоянная геометрия управления.

Одноногий рычаг

Поговорим о наиболее интересной схеме подвески – рычажной толкающего типа (push-rod type), а точнее – о ее однорычажном варианте. Такая подвеска очень далеко продвинулась по пути разделения сил и снижения инерционности за счет использования управления центром ступицы (HCS, hub-center steering). Конструкция во многом аналогична однорычажной задней подвеске. Существуют различные конструктивные решения данной схемы, одно из наиболее популярных называется Di Fazio – по имени Джека Дифацио (Jack Difazio), который в 70-х годах ввел в британском мотоциклетном тюнинге моду на подобную подвеску. Источником вдохновения послужил… мотоцикл Ner-a-Car, спроектированный в далеком 1918 году, и выпущенный общей серией около 16,5 тысяч экземпляров.

Папа всех байков с рычажной вилкой - Ner-A-Car. Выпускался с 1921 по 1927 в Англии и США

С современными байками тоже негусто – из недавних можно вспомнить Bimota Tesi и Yamaha GTS1000, который снят с производства еще в 1996 году (есть еще байки от Vyrus, но там серия исчисляется десятками, в лучше случае – сотнями экземпляров). Давайте на примере Yamaha рассмотрим, как все это работает.

Однорычажная передняя подвеска с консольным креплением колеса, Yamaha GTS1000

Рычаг подвески крепится к «омегообразной» раме (получившей такое название из-за характерной формы), а в его передней части закрепляется колесо. Между рычагом подвески и рамой устанавливается амортизатор. Верхняя тяга, связанная с рычагом подвески посредством шарнирного рычага, тоже крепится к раме и замыкает собой «параллелограмм», который обеспечивает превосходную жесткость управления. Шарнирному рычагу управляющее усилие от руля передается через телескопическую трубу, которая перемещается одновременно с движением подвески. Шарнирный рычаг поворачивается на шарнирах, установленных на рычаге подвески и верхней тяге, и удерживает ось колеса. При изменении положения руля поворачивается шарнирный рычаг, а вместе с ним и колесо, но при этом соблюдается параллельность рычага подвески и верхней тяги (они не смещаются поперечно оси мотоцикла). Это означает, что угол поворота рулевой колонки ограничен рычагом подвески, который не должен быть слишком большим в целях снижения ширины и веса, а также улучшения распределения массы (подрессоренной-неподрессоренной).

Организация HCS-подвески, Bimota Tesi

Di Fazio обеспечивает превосходное распределение нагрузки, выполняя это даже лучше Telelever-а от BMW (последний, правда, не ограничивает угол поворота колеса). Кроме того, можно легко изменять геометрию, используя рычаги различного размера, а в случае необходимости, по аналогии с задней подвеской, может быть установлена система рычагов, обеспечивающая прогрессивную характеристику.

Трудно сказать, является ли HCS объективно хуже или лучше телескопической вилки. На протяжении всей истории мотостроения, схема использовалась лишь на нескольких байках, без значительного успеха. Массовый покупатель не признает революций, лишь эволюция позволяет планомерно улучшать будущие мотоциклы – именно это сказывается на низких продажах «революционеров». А раз никто не покупает такие мотоциклы, появляется еще одна проблема – дороговизна в производстве HCS-подвески, из-за того, что серия выпускаемых мотоциклов очень мала.

Монстр современного мотостроения с однорычажной передней подвеской - Vyrus 985 C3 4V

За десятки лет использования телескопической вилки, райдеры всего мира привыкли к определенным ощущениям от езды, проблемы «телескопа» не воспринимаются как проблемы – скорее, их принимают как должное, как часть неповторимого характера мотоцикла, со всеми его недостатками и ограничениями. Прогресс также не стоит на месте – зачем всей индустрии с нуля начинать работу над terra incognita среди схем передних подвесок, когда можно планомерно, наслаивая новейшие технологии одна на другую, преодолевать недостатки телескопических вилок: перья большего диаметра уменьшают нежелательную гибкость, специальные покрытия снижают потери при трении подвижных частей, а новые принципы организации внутреннего устройства, вроде того же «большого поршня», улучшают антиклевковые свойства подвесок.

Однорычажная HCS-подвеска, Bimota Tesi 3D 2007

Однако не будем о грустной судьбе, которая постигает революционеров, лучше давайте разберемся с рулевым управлением и геометрическими параметрами байка.

У руля все тихо и спокойно

Если театр всегда начинается с вешалки, то рулевое управление, независимо от типа подвески – с руля (читать раздельно, отставить шуточки), который поворачивается относительно рамы и связан с передним колесом таким образом, чтобы поворот руля приводил к перемещению колеса.

В традиционной подвеске руль прикрепляют к верхней траверсе или непосредственно к неподвижным трубам вилки. Верхняя траверса надевается на неподвижные трубы вилки и верхнюю часть стержня рулевой колонки. Стержень проходит через трубчатую головку рамы, которая называется рулевой колонкой. При повороте руля траверсы поворачиваются в головке рамы, а с ними, в свою очередь, поворачиваются перья вилки и рулевое колесо.

Стержень вращается в рулевой колонке на подшипниках, которые должны выдерживать высокие осевые (направленные по оси рулевой колонки) и радиальные нагрузки (действующие под прямым углом). На большинстве современных машин используются конические роликовые или шариковые подшипники с обоймой, которая обеспечивает жесткую установку стержня рулевой колонки. Они рассчитаны на работу с небольшой предварительной нагрузкой, исключающей любой нежелательный люфт. Важное условие, вне зависимости от типа применяемых подшипников – любой люфт должен устраняться регулировкой. Это связано с тем, что даже небольшой люфт в подшипниках вызывает на противоположном конце вилки значительное перемещение – полная неадекватность в управлении мотоциклом гарантирована.

Уроки геометрии

Теперь поговорим о нескольких моментах из геометрии байка.
Ось вращения стержня рулевой колонки расположена под углом, называемом «наклоном» (rake), благодаря которому перья вилки уходят вперед от стержня, а не вертикально вниз. Угол наклона отчасти определяет другой важный параметр – вылет (trail). Вылет также определяется величиной смещения (offset) вилки и смещения оси. Его важность заключается в том, что он отвечает за самоцентрирование, то есть возврат рулевого управления. При смещении переднего колеса от оси симметрии пятно контакта шины тоже смещается от оси симметрии. Трение между шиной и поверхностью дороги стремится вернуть колесо в положение, соответствующее прямолинейному движению.

Если сидеть на мотоцикле и поворачивать руль из стороны в сторону, можно заметить, что рулевая колонка при этом поднимается и опускается. Поэтому гораздо проще повернуть руль от центра, чем вернуть его в центральное положение. (особенно это заметно на мотоциклах с большим углом наклона рулевой колонки - прим.ред.) Этот эффект вызван углом наклона рулевой колонки - чем он больше, тем труднее вернуть руль в "нулевое положение". Поэтому мотоциклам с большим углом наклона вилки труднее даются повороты, чем их более "сбитым" собратьям.
Для увеличения или уменьшения вылета при неизменном угле наклона рулевой колонки можно воспользоваться смещением. Аналогично можно уменьшить колесную базу: уменьшив угол наклона рулевой колонки и сохранив тот же самый вылет. Уменьшения колесной базы можно добиться уменьшением смещения вилки или увеличением смещения оси колеса назад.

Геометрия традиционной передней подвески

На гоночных байках применяются регулируемые траверсы, где можно настраивать геометрию рулевого управления в зависимости от конкретного трека. На серийных спортбайках такая «фича» тоже встречается, в основном, среди итальянцев – например, Ducati 749S располагает регулировкой вылета и угла наклона вилки.

Влияние наклона рулевой колонки, вылета и смещения взаимосвязаны, число их комбинаций бесконечно, а каждая из комбинаций является компромиссом. Оптимальную для всех случаев геометрию получить невозможно, поскольку во время работы телескопической вилки геометрические параметры постоянно меняются.
В конечном счете, приблизительные геометрические значения определяются исходя из назначения конкретной модели, а затем точно подгоняются для соответствия массе, ее распределению, а также ожидаемым для достижения наилучшего возможного компромисса характеристикам управления, учитывая геометрию задней подвески.

Словарик мото-геометрии

Угол наклона – угол, измеряемый между вертикалью и осью проходящей через центры подшипников рулевой колонки, обычно от 23 до 30 градусов.
Вылет – расстояние между точкой контакта передней шины с дорогой (где вертикальная линия, проведенная через ось колеса, касается земли) и воображаемой точкой пересечения с дорогой оси рулевой колонки, обычно от 60 до 100 мм.
Смещение вилки – наикратчайшее расстояние между линией, проведенной через центр вилки, и осевой линией рулевой колонки.
Смещение оси колеса – длина перпендикуляра, опущенного из оси переднего колеса на ось рулевой колонки. Может отличаться от смещения вилки, если ось закреплена впереди или сзади осевой линии перьев вилки (как например, на круизере Honda Rune).

Смещение перьев вилки – угол между осями перьев вилки и осью рулевой колонки, возникающий при различной величине смещения вилки в верхней и нижней траверсах.

Пару слов о колесной базе – это расстояние между осями переднего и заднего колес. Она имеет огромное влияние на управляемость – длинная колесная база обеспечивает отличную стабильность мотоцикла при движении по прямой линии, но усложняет прохождение поворотов. Коротко «сбитая» колесная база дает мотоциклу ловкость в нарезании кривых, но за это приходится расплачиваться стабильностью на прямой. Кроме того, при наезде на неровность на высокой скорости короткобазный байк приходится выравнивать дольше.

По сути, при сжатии перьев вилки происходит приближение переднего колеса к заднему, в результате чего угол наклона вилки уменьшается (ось рулевой колонки стремится занять вертикальное положение), следовательно, изменяется вылет. Очень большое количество изменений происходит с геометрией мотоцикла в движении, что накладывает свой неповторимый отпечаток на двухколесные покатушки – автомобильная геометрия гораздо более фиксированная и стабильная.

***

Однако тема подвески на этом не исчерпывается, поскольку мы говорим не о моноцикле – ведь есть еще заднее колесо! За устройство его подвески мы и примемся в следующий раз. До скорого!