Основа основ. Устройство мотоциклетных рам, часть 1

Текст: Артем ‘S1LvER’ Терехов

Сегодняшняя статья из цикла об устройстве мотоцикла посвящена рамам. Без этого важного узла наши двухколесные друзья превратились бы в неуправляемые снаряды, которых колбасит из стороны в сторону при малейшей попытке райдера повлиять на траекторию движения. Да и надо же как-то связать воедино все прочие элементы конструкции!

В общем, как ни крути, а рама – вещь необходимая. И пусть в последнее время конструкторы всячески пытаются опровергнуть это утверждение, до повсеместного отказа от рамы еще очень далеко (если это вообще когда-нибудь случится). Давайте рассмотрим общие для всех вариантов конструкций моменты, после чего перейдем к конкретике.

Не дать развалиться

Рама предназначена для выполнения многих функций, которые можно условно разделить на «структурные» и «геометрические». Со структурной стороны, рама нужна для того, чтобы расположить и закрепить двигатель, трансмиссию, подвеску и так далее. Чтобы осуществить это, рама должна быть жесткой, прочной, и по возможности легкой. Геометрическая роль рамы заключается в обеспечении необходимых параметров геометрии подвески и рулевого управления (об этих характеристиках рассказывается во второй части материала об устройстве передней подвески), колесной базы и положения центра тяжести. Есть и неочевидный, но очень важный момент – именно рама обеспечивает расположение колес на одной линии.

Также необходимо, чтобы рама была достаточно жесткой, чтобы обеспечить противодействие силам, возникающим в повороте, при ускорениях и торможениях – и все это без участия со стороны рулевого управления и подвески. Все вышеперечисленное является определяющим со времен появления первых мотоциклетных рам. Если нет нужной жесткости, может происходить смещение переднего колеса относительно заднего – в пределах от небольшого до очень опасного.

Малая жесткость рамы приведет не только к плохим ощущениям для райдера во время езды, она сведет все преимущества отличного двигателя на нет. Ведь если байк постоянно колбасит – ехать агрессивно и напористо у пилота не получится, и его обойдут более технически продвинутые соперники. Известный факт, подтвержденный множеством примеров из спорта – многие победы достигнуты за счет преимуществ именно по части рамы, даже несмотря на применение не самого мощного мотора.

Однако спорт – это одно, а гражданская езда – совсем другое. В последнем случае стоимость и форма рамы обладают таким же значением, как и прочие характеристики. Нет никаких сомнений в том, что прекрасно построенная рама преобразит изначально не блистающую машину. Это заметно в мелкосерийном производстве, где есть возможность уделять внимание мельчайшим деталям и оттачивать технологии до блеска. Поэтому тюнинговые рамы всегда будут популярны в узком кругу райдеров-перфекционистов, желающих довести управляемость своего байка до предела.

С появлением гоночного класса Moto2 производство отточенных и продуманных рам вышло на новый виток. Ведь теперь у производителей появилась возможность проверить свои разработки в самом суровом горниле соревнований высшего уровня. К ветеранам индустрии вроде Harris и Moriwaki присоединились новые имена – например, RSV, ранее занимавшиеся лишь проектированием элементов для авиационных конструкций. Знания, мастерство, интуиция, даже вдохновение – все это очень важно в таком непростом деле, как обеспечение баланса характеристик управляемости. И неважно, гранприйный это снаряд или дорожная «рабочая лошадка».

Гранприйный снаряд Moriwaki MD600 - рамный гений японцев во всей красе

Полкило назад, три вперед

А начинается работа над будущим «коконом» для элементов машины с распределения веса и настройки положения центра тяжести. Конструкция мотоцикла не позволяет сильно разгуляться в вопросе размещения крупных узлов, таких как топливный бак, двигатель, задняя и передняя подвески. К счастью, такое расположение узлов достаточно удачно с точки зрения распределения веса.

Центр тяжести оказывает огромное влияние на два основных показателя: во-первых, ускорение и торможение, во-вторых, прохождение поворотов. При выборе конструкторами положения центра тяжести в первую очередь руководствуются вопросами разгона-торможения, а уже потом – прохождения поворотов. Если немного подумать, также появится еще один вывод – центр тяжести определяет степень перераспределения веса при ускорениях-торможениях, а значит, непосредственно влияет на коэффициент сцепления шин с полотном.

При идеальном положении центра тяжести пробуксовка заднего во время ускорения начиналась бы только при отрыве переднего колеса от земли. Аналогично, блокировка переднего колеса в процессе торможения начиналась бы только при отрыве заднего колеса от земли.

Можно лишь представить титанический труд конструкторов, работающих над гоночными мотоциклами – ведь эти байки много времени проводят на одном колесе! Достаточно посмотреть замедленные повторы, когда райдеры MotoGP в зоне торможений отрывают заднее колесо от земли, но передняя шина при этом продолжает сохранять контакт с асфальтом. На величину сцепления шин с дорогой также влияет длина колесной базы: если ее увеличивать при неизменном положении центра тяжести, то фактически будет снижаться сцепление из-за относительных углов между колесами.

Великий Доктор демонстрирует блестящую работу по части развесовки, проведенную гоночными инженерами Yamaha

Думаем дальше. При повороте желательно (нет, для душевного спокойствия райдера - даже необходимо!) обеспечить одинаковое сцепление передней и задней шин с асфальтом. Из этого следует, что центр тяжести должен быть равноудален от колес, то есть находиться посередине колесной базы. А вот высота центра тяжести – это всегда компромисс. Высокий центр тяжести обеспечивает лучшее сцепление шин, что позволяет более интенсивно ускоряться и тормозить в повороте, также уменьшается радиус поворота. Однако при низком центре тяжести уменьшается инерция относительно оси крена, иными словами – рулевое управление становится более чувствительным. Такой байк в движении кажется менее тяжелым, более ловким и простым в управлении на низких скоростях и в заносе.

Так или иначе, идеального решения, распространяющегося на все ситуации, в вопросе высоты центра тяжести не существует. Поэтому его подбирают, исходя из предназначения и «ареала обитания» мотоцикла.

Уяснив, что нам нужно от будущей рамы, давайте выберем для нее наиболее оптимальный материал и придадим элементам конструкции нужную форму.


Трудности выбора

Первоначально, когда опыт постройки рам еще только начинал складываться в общую копилку, производители пробовали все подряд. Отрезки стальных труб скреплялись в различных точках при помощи кронштейнов, образующих рулевую колонку и точки крепления рычага подвески. До широкого распространения сварки трубы покрывали припоем, затем вставляли в приливы кронштейнов и нагревали. Разумеется, такие «туземные» методы не слишком хорошо сказывались на жесткости конструкции, поэтому с распространением сварки к процессу изготовления рамы стали подходить по-другому.

Если для алюминия и стали сварка остается наиболее предпочтительным способом соединения, то к композитным материалам с ней уже не подойдешь. Да и вообще, с композитами все немного по-другому, но об этом чуть ниже. А пока поговорим о конфигурации элементов рамы.

Традиционный подход основан на применении треугольных конструкций, это прекрасно иллюстрирует простая велосипедная рама, да и «птичья клетка» тоже. Ромб, образованный трубами рамы, разделен на два треугольника трубой, проходящей между седлом и осью педалей. Это придает ромбовидной раме большую жесткость и прочность, а каждая труба остается эффективно зафиксированной от изгиба. Аналогичный подход с применением треугольников используется на множестве мотоциклов – от динозавров начала XX века до ультрасовременных гоночных машин.

Ромб велосипедной рамы состоит из двух треугольных конструкций

В тех рамах, которые недостаточно усилены треугольными конструкциями, в качестве элемента жесткости используют двигатель. Его закрепляют в трех точках между открытыми частями рамы. Как правило, «жесткий» двигатель получается более тяжелым, нежели такой, который не участвует в образовании силовой конструкции, однако из-за меньшего веса рамы общего увеличения массы машины не происходит.


Компьютерно-теоретические изыскания

К счастью, блага развития нашей цивилизации затронули и проектирование мотоциклетных рам. Теперь можно не изготавливать десятки различных вариантов конструкций, отбрасывая неудачные и совершенствуя те, что лучше других справляются с поставленными задачами. Использование братьев наших кремниевых позволяет смоделировать виртуальный прототип рамы, а затем подвергнуть его различным испытаниям: задать необходимые нагрузки, проверить реакцию конструкции на вибрации.

Новые методики – новые задачи. В результате компьютерного моделирования выяснилось, что большинство труб рамы в различных плоскостях должны иметь различную прочность. Круглые трубы обладают одинаковой прочностью во всех направлениях, в то время как прочность труб квадратного или прямоугольного сечения в одном направлении больше, чем в другом. Поэтому там, где это необходимо, в целях экономии веса или для повышения жесткости можно использовать квадратные или прямоугольные трубы.

Может даже оказаться, что стоит «напрячь» двигатель, взвалив на него часть нагрузок. Однако не стоит думать, что так стали делать лишь с появлением компьютерного моделирования рам: еще в пятидесятых годах Vincent успешно включила двигатель в силовую схему мотоцикла Black Shadow – «папы» всех супербайков современности, настолько технологичным, продвинутым и стремительным он был для своего времени. Пожалуй, как-нибудь мы расскажем об этом мотоцикле более обстоятельно, а сейчас подробней поговорим о различных материалах, применяемых при изготовлении рам.

Двигатель Vincent Black Shadow 1950 выполняет роль нагруженного элемента в общей силовой схеме

«Хребет» из стали

Сталь была наиболее широко используемым материалом с тех пор, как придумали мотоцикл. На ее стороне – низкая стоимость и высокая прочность. Кроме того, стали несложно придать нужную форму, она легко поддается сварке, да и ремонтопригодность стальных рам находится на высоком уровне. Но когда от рамы требуется наивысшая жесткость при минимальном весе, тут уж у старой доброй стали появляются серьезные конкуренты.

Стальная рама Kawasaki Vulcan 900 2006 демонстрирует применение различных профилей для разных элементов конструкции

На множестве скутеров применяются штампованные стальные элементы, потому что они гораздо дешевле стальных труб. Но главной проблемой таких элементов становится коррозия внутренних поверхностей, из-за попадания в них воды. Рама может тихо ржаветь изнутри, дойдя до такой кондиции, после наступления которой никакой ремонт уже не поможет.

Лучше альтернативой стали является алюминиевый сплав. Его прочность и вес примерно в три раза меньше, чем у стали, следовательно, для создания алюминиевой рамы, которая будет равносильна стальной, ее потребуется увеличить в три раза. Но жесткость зависит от площади материала, и алюминиевая рама одинаковой со стальной прочности и веса фактически будет в три раза жестче. Следовательно, при увеличении жесткости не происходит возрастания веса.

При создании алюминиевых элементов рамы с большой площадью поперечного сечения алюминий выдавливают через матрицу в полузастывшем состоянии, получая треугольный или коробчатый профиль, который сильно увеличивает жесткость. Кроме того, он позволяет снизить толщину наружных стенок профиля – что положительно сказывается на весе.

Алюминиевая рама Suzuki GSX-R1000 2007

Литье, ковка, прокатка – различные элементы рамы могут создаваться разными способами, а значит, им можно придать нужную форму, соблюдая баланс жесткости и веса. «Темной стороной» алюминиевых рам является большая, по сравнению со сталью, цена, а также меньшая ремонтопригодность. Лопнувшую и «поведенную» алюминиевую раму очень трудно восстановить, а даже если это удастся – жесткость структуры в любом случае не вернется на первоначальный уровень.

Дальше начинается путешествие в мир экзотических материалов. Магний, например, обладает крайне малой массой, а прочность не уступает алюминиевому сплаву. На этом его достоинства заканчиваются. Если не обрабатывать магний дорогими покрытиями, стойкость к окислению будет стремиться к нулю. Заоблачная цена и слабое желание поддаваться сварке довершают картину этого крайне интересного, но в основном, слабо применимого металла.

Специально для ELF R 1986 была разработана рама из магниевого сплава

Если у элемента нет соединений – например, крышки двигателя или колесный диск – тогда использование магния можно считать удачным выбором. Хотя есть пример мотоцикла, в конструкции которого использовали магниевую раму. Это ELF R 1986 года, на счету которого шесть различных мировых рекордов. Из более приземленных вещей – Yamaha YZF-R6, начиная с 2008 года, несет в своем «хвосте» подрамник из магниевого сплава.

Титан становится все более доступным, повсеместно используется на гоночных мотоциклах, да и серийным машинам время от времени «перепадает» немного этого серебристо-белого металла. В плюсы материалу запишем аналогичную стали прочность, дополненную малым весом и категорическим нежеланием ржаветь.

Победоносная кроссовая машина Husqvarna Titanium 1971. Материал рамы заложен в названии байка

Однако будущее применение титана очень сильно зависит от успехов в разработке композиционных материалов, поскольку они проявляют себя даже лучше. Углепластик или кевлар в сочетании со смолистым вяжущим веществом, а иногда и с алюминиевыми сотовыми конструкциями, могут обеспечивать огромную жесткость в отдельных направлениях нагружения. Чрезвычайное удорожание мотоцикла перекрывается невероятной жесткостью рамы – нет ничего удивительного в том, что «композиты» повсеместно используются на байках от Bimota, MV Agusta и им подобных.

Рама Bimota DB7 Oronero включает в себя карбоновые структурные элементы

*****

В следующей статье мы поговорим о том, какие типы рам применяются в современных мотоциклах, а также уделим немного внимания проблемам контроля, возникающих из-за различных ошибок в ходовой байка. Оставайтесь с нами!