РУЛИТЬ С ПРИЦЕЛОМ НА БУДУЩЕЕ

© Tony Foale 1986 - 2002

Однако всегда были инакомыслящие, Ниракар (Neracar) (см. фото ниже) использовала конструкцию с центральной ступицей, а O.E.C. имел другую необычную систему, обе конструкции показывали великолепные результаты по тогдашним стандартам. Но к началу 1950х широко распространились гидравлические амортизирующие телескопические вилки, в основном из-за их улучшенных ходовых характеристик по сравнению с не демпфированными балочными вилками или с балочными вилками с демпфированием трением. И все же некоторые производители даже тогда понимали недостатки телескопов. Ариель, с другой стороны, применял рычажные вилки толкающего типа из прессованного металла на своих мотоциклах Leader и Arrow.

Так как, есть ли действительно существенная проблема с вилками, которая так долго обманом вкрадывалась в наши байки; знают ли конструкторы альтернативных предложений что-то, что ускользает от всех остальных? Что ж, у обычных вилок есть проблемы, и они становятся более очевидными по мере того, как современные мотоциклы тяжелеют и приобретают больше мощности. Все обычно используемые типы передней систем подвески/руления имеют общую черту – все они крепятся с рулевой колонке и поворачиваются через нее. И вы вполне можете спросить: "Ну и что?"

Рисунок показывает, как любой боковой изгиб в перьях вилки позволяет пятну контакта шины с дорогой уходить от оси рулевой колонки. А это действительно имеет значение, потому что виляние может быть вызвано или значительно усилиться таким несоответствием как на гладкой дороге при определенной скорости, так и на любой скорости на неровной поверхности. Рассмотрим, что происходит, когда колесо встречает ухаб с одной стороны – вилка отклоняется от этого ухаба и остается все еще отклоненной, когда встречается следующий ухаб, сила реакции на него вызывает момент вокруг оси рулевой колонки, что в свою очередь заставляет вилку повернуться в сторону. До некоторой степени нам всем пришлось это испытать, иногда это было всего лишь незначительное колебание руля, но в очень многих случаях это могло развиться в пугающее кувыркание по дороге, иногда с фатальными последствиями. Если бы, однако, пятно контакта шины с дорогой было бы жестко закреплено на линии оси рулевой колонки, то лишь небольшой момент прикладывался бы к рулению, а подвеска могла бы свободно заняться собственной работой по поглощению сил от ухабов с минимальной драмой или осознания со стороны водителя.

Другим недостатком является большие усилия, прилагаемые на саму рулевую колонку. Это приводит к очень большим силам, которым необходимо противостоять при помощи крепкой, а значит и тяжелой рамы. Плюс к этому, телескопические вилки хорошо известны за их склонность к клевку под воздействием сил торможения, поощряя современное решение увеличить демпфирование для замедления клевка. (Тема клевка будет детально рассмотрена в следующем месяце.) Плохая реакция на маленькие неровности, такие как тепловые стыки дорожного полотна, которая может быть из-за статического трения в перьях – еще одна частая жалоба в отношении телескопов.

Итак, теперь мы знаем, почему обычная конструкция может вызывать проблемы, но действительно ли ново- (или старо-) модные системы предлагают ценное и не дорогостоящее решение? Чтобы не ошибиться, по крайней мере до тех пор, пока альтернативные системы не смогут производиться экономически широко, у нас нет шанса увидеть такую систему на стандартном дорожном мотоцикле, неважно что предлагается – техническое решение или безопасность. Я полагаю, что некоторые из этих схем имеют существенный потенциал, но будут ли они воплощены на практике, зависит от стандарта точности конструкции и производства. Разве можно сравнивать набор телескопов высшего качества с плохо сконструированной компоновкой с центральной ступицей? Опять эти магические слова «ЦЕНТРАЛЬНАЯ СТУПИЦА», что же они значат, и стоит ли именовать таковыми все эти разные конструкции?

Мне кажется, что есть два основных класса эти альтернатив. Первый, типа Ниракар (Neracar), Дифазио (Difazio) и Бимота Теси (Bimota Tesi), которые имеют основную поддержку колеса в центре или очень близко от центра колеса. Именно их можно назвать как имеющие «центральную ступицу», хотя фактический механизм руления не находится в центре. Второй класс включает Эльф. е (Elf. e), Хоссак (Hossack), мой собственный дизайн, использованный на Quantum, Паркер (Parker) и другие. В настоящее время, похоже, нет удовлетворительного общего названия этих систем. Лучшее, что я могу предложить – двойная консоль или двойной рычаг, но не все системы используют рычаг как таковой, больше как поворачивающийся кронштейн; некоторые предлагают термин «параллельные тяги», но нет никакой необходимости делать их параллельными. Давайте рассмотрим некоторые из систем более подробно и увидим, как они работают.

ЦЕНТРАЛЬНАЯ СТУПИЦА

Обычно большого диаметра, поворачиваемая, но не вращающаяся ступица закреплена на поворотном шкворне, проходящем сквозь нее. Другая ступица, еще большего диаметра, закреплена на первой ступице посредством большого шарикоподшипника. Центральная линия поворотного шкворня определяет ось поворота, так что единственная гибкость, которая может позволить шине отклониться от этой оси – сами колесо и ступица, но так как мы должны сделать эти компоненты соответствующими конструкции, можно видеть, что практически все остальные источники жалоб, в отношении вилок, просто убраны одним махом. Однако не стоит забывать, что любой износ или люфт во втулках шкворня или подшипниках выльется в усиленное боковое гуляние, люфт во втулках дает другой эффект, чем из-за гибкости, и больше вредит устойчивости. Вот что я имел под важностью точности конструкции. Давайте рассмотрим теперь некоторые фактические примеры и узнаем их положительные и отрицательные черты.

ДИФАЗИО

Эта конструкция скорее всего приходит на ум при упоминании центральной ступицы. Она включает вышеупомянутые особенности, но поворотный шкворень выполнен в форме креста и свободно поворачивается на оси. Для предотвращения свободного вращения (за исключением небольшой его величины, необходимой для движения подвески) внутренняя ступица соединена с верхними рулевыми тягами посредством «А-образной» рамы с каждой стороны, обе рамы соединены над шиной крест накрест. Тормозные суппорты крепятся к этим рамам и их момент реакции передается на рычаги поворота. Ось закреплена между открытыми концами качающегося рычага, смотрящего вперед. А нагрузка на подвеску передается через втулки поворотного шкворня. В целом, все это довольно искусно спроектировано с точки зрения механики, но не эстетики, и помните, что эта подвеска была запатентована почти двадцать лет назад. Как упоминалось выше, источник боковой податливости (по отношению к оси руления) ослаблен до самого колеса, втулок колеса и втулок шкворня. Нагрузка от торможения распределяется между нижним качающимся рычагом и верхними рулевыми тягами, и из-за того, что они отстоят друг от друга и расположены близко (в сравнении с рулевой колонкой) к пятну контакта шины с дорогой, нагрузка гораздо меньше, чем в обычном случае.

Есть также и недостатки – как можно бы и ожидать, мы редко получаем что-нибудь просто так. Так как вся боковая жесткость обеспечивается поворотным шкворнем, эта деталь довольно сильно нагружается, когда колесо подвергается воздействию боковой силы, например при ударе об ухаб в повороте. Потенциальная крепость боковых «А»-рам не используется для ослабления этой нагрузки, которая также стремится согнуть ось S-образно, скручивает и сгибает качающийся рычаг. Тем не менее, отклонение этой оси и рычага не дает передней шине уходить с оси руления (так как ось движется вместе с колесом). Возможно, другая проблема в том, что это довольно сложная система как в терминах числа необходимых компонентов, так и в терминах легкости замены колеса.

МИД И ТОМКИНСОН (MEAD AND TOMKINSON)

На некоторых своих байках эндуро (среди них Несси (Nessie)) эта команда экспериментировала с вариациями на тему Дифазио. В одной из таких конструкций поворотный шкворень был заменен шаровым узлом, который свободно вращался во всех направлениях, а для предотвращения появившихся боковых движений треугольный рычаг был присоединен к середине крестообразной детали, соединяющей верхние концы «А»-рам. Единый узел подвески крепился к верхней части втулки, освобождая шарнир ступицы от нагрузок подвески. Хотя ось все равно подвержена сгибающим нагрузкам при торможении, эта система убрала нагрузку от поперечных сил и от сил подрессоривания, а в дополнение устранена возможность скручивания качающегося рычага. До сих пор все хорошо, но потенциальная возможность расхождения колеса и оси руления увеличилась, сгибание «А»-рам может теперь вносить в это свой вклад. Несмотря на это, мне кажется, что такие модификации оригинала имеют определенный потенциал.

БИМОТА ТЕСИ (BIMOTA TESI)

Это, возможно, самая последняя конструкция с центральной ступицей, имеющая некоторые общие черты с Дифазио, хотя шкворень жестко прикреплен к оси, а не вращается свободно на ней. В результате силы торможения проходят через вал колеса к коротким кронштейнам, закрепленным на каждом конце. Положение этих кронштейнов, в свою очередь, определяется двумя консолями. Так как эти консоли расположены относительно близко к качающемуся рычагу, силы довольно высоки в сравнении с конструкцией Дифазио. Шкворень/ось подвергаются гораздо бОльшим напряжениям и не могут жестко прикреплены к маятнику, вместо этого, шкворень должен свободно вращаться внутри него, чтобы колесо могло двигаться вертикально. Следовательно, вал не может помочь в торсионной жесткости маятника, которому в результате необходимо быть больше по размеру. Гидравлическое рулевое управление, объявляемое во многих газетных статьях как основное нововведение, на самом деле лишь еще один источник уже обнаруженных потенциальных проблем. Нелегко найти какие-либо достоинства, перевешивающие недостатки. Любой с опытом обращения с таким закрытым гидравлическим контуром может понять, что необходимо обеспечение расширения и перемещения поршневого штока. Бимота этого не сделала до довольно драматического напоминания. Принятое решение являлось установкой емкости со сжатым газом, отделенным от масла гибкой диафрагмой, аналогично многим компонентам подвески. К несчастью, введенная таким образом податливость может вызывать рыхлость руления. Не удивительно, что некоторые из тех, кому довелось поездить с ним, были куда как не оптимистичны о чувстве машины. Мне говорили, что такое решение совсем не дает уверенности в езде. Можно простить мыли о том, что Бимота могла бы и получше скопировать работу инженеров Дифазио и применить свою итальянскую способность работать с визуальными образами. Пресса отмечала, что ТЕСИ была сконструирована как институтский проект, как таковой его хвалили, но он далек от практики в своем первом представлении.

(примечание 1997 г.) Конструкция последующих передних подвесок Бимота значительно изменилась со времен первой версии, былы улучшены сомнительные аспекты, упоминавшиеся выше.

ДВОЙНЫЕ КОНСОЛИ

Этот тип в общем проще с механической точки зрения, состоящий в основном из «стойки» (автомобильная терминология), к которой крепится колесо и его подшипники. Эта стойка удерживается на месте двумя смотрящими вперед вращающимися рычагами или кронштейнами, передний конец которых позволяет двигаться подвеске и рулить. Структурно разные конструкции в этом классе отличаются, в основном, расположением мест на стойке, к которым крепятся рычаги. Рассматривая характеристики поперечной устойчивости, мы видим, что она зависит только от жесткости стойки и колеса. Давайте рассмотрим некоторые фактические системы.

Эльф. е (также аналогична Dider Jillet)

Здесь стойка довольно коротка, а значит легкая и жесткая, но это неизбежно приводит к тому, что передние концы двух качающихся рычагов находятся внутри окружности колеса, а это в свою очередь означает, что их необходимо выгнуть в сторону от центра для просвета шины при полном повороте руля (в одну сторону), рулевая тяга также должна иметь большие свободные промежутки по той же причине. Так что, даже хотя было бы трудно сконструировать более эффективную стойку, у качающихся рычагов форма, скажем, не совсем оптимальная. Дело осложняется необходимостью того, что силы на подвеске действуют через один из рычагов. Это дает скручивающую нагрузку и нагрузку вертикального изгиба на таком рычаге, который должен быть достаточно большим, чтобы им противостоять.

(добавление 1997 г.) Более поздние версии Эльфа отошли от этой конструкции и применили нечто, напоминающее автомобильный стиль «МакФерсон». Несмотря на то, что в руках Рона Хаслама (Ron Haslam) эта конструкция начала хорошо работать, мне кажется, что оригинальная система была более перспективной. Сделав промеры геометрии руления и рычагов по фотографиям, у меня сложилось мнение, что именно это и нужно было переработать.

ХОССАК / FIOR / ФОАЛ

Это полная противоположность вышеописанному, внутри семейства консолей. Вместо очень маленькой стойки с большими изогнутыми рычагами. Эта конструкция имеет увеличенную стойку, закрепленную на очень легкой и жесткой вилке. Она крепится над шиной. Хотя стойка сконструирована в форме вилки, которая позволяет использовать обычные колеса и тормоза, в принципе нет причины, почему бы не сделать ее односторонней для возможности быстрой замены колеса, как в Эльфе. е. Но отношение жесткости к весу возможно лучше с вилкой. В сравнении с Эльфом эта конструкция имеет как преимущества, так и недостатки. Поворотные шарниры расположены выше, увеличенная система рычагов вызывает бОльшие нагрузки в шаровых опорах, а также уменьшается потенциал использовать двигатель как структурную часть основной рамы (что было применено у Эльфа), просто из-за требуемого физического расположения опорных осей.
Обычно в схемах с центральной ступицей у Эльфа ограничен угол поворота колеса, но с другой стороны тип Хоссак свободен от скованности и, так как только он из подобных систем описан здесь, имеет реальный потенциал для внедорожного использования.

(примечание 1997 г.) Олли МакКан (Ollie McKan) в Америке разработал систему для внедорожных условий, которая, похоже, использует подрессоренную рулевую колонку, позволяющую нагрузкам остновной подвески передаваться непосредственно на конусные роликовые подшипники. Этот тип конструкции имеет дополнительное преимущество в том, что уменьшено трение руления по сравнению с рулением через шаровую опору при тех же нагрузках на подвеске.

Гоночная команда Бриттен (Britten), находящаяся в Новой Зеландии, достигла значительного успеха с байками, оборудованными этим типом передней подвески. Основная стойка / вилка сделана их карбонового композита, как и многие другие части машины.

ФОАЛ / ПАРКЕР

Возможно мне не стоит комментировать собственную конструкцию, но я очень постараюсь быть объективным. Она сочетает черты обеих предыдущих систем. Нижний рычаг изогнут и находится на уровне ступицы, как у Эльфа, но верхний является вилкой над шиной, как у Хоссака. ПОЧЕМУ? Ну, увеличение расстояния между верхним и нижним рычагами (по сравнению с Эльфом) существенно уменьшает нагрузку, передаваемую на опорные подшипники качающегося рычага. Амортизатор с пружиной можно теперь прикрепить к верхнему рычагу рядом со стойкой, избегая, таким образом скручивающей нагрузки и нагрузки вертикально изгиба на нижнем изогнутом рычаге. Этот компонент теперь может быть тоньше и легче. Цена за это в том, что стойка должна быть длиннее, а следовательно, тяжелее и/или менее жесткой. В итоге я считаю, что это лучший компромисс, так как он также позволяет расположить рулевую тягу над колесом, где она находится ближе к рулю, тем самым упрощая систему их стыковки, и ее не надо закреплять с большими промежутками для освобождения угла поворота колеса. Система Паркера отличается от моей тем, что рулевой механизм не использует рулевую тягу. Вместо этого он применяет нечто вроде телескопической торсионной трубы для передачи усилий водителя на колесо.

(примечание 1997 г.) С помощью Паркера эта система была принята компанией Ямаха для использования на их дорожном байке.

САКСОН / МОТОДД (SAXON / MOTODD)

Под конец я бы хотел вкратце остановиться на системе Саксон / Мотодд. Она оставалась в стороне предыдущей дискуссии только потому, что она не вписывается ни в одну из двух рассмотренных категорий и использует лишь один качающийся рычаг и жестко закрепленный шарнир сверху (в действительности это усовершенствование телескопической вилки). Так как одного качающегося рычага недостаточно для точного расположения вилки, она также поддерживается двумя подпорками, вилка может свободно скользить по ним, как в обычных телескопах. Тем не менее, функция подвески осуществляется внешним отдельным узлом пружины/амортизатора. Ось руления определяется линией, проведенной через верхних закрепленный шарнир и через нижний подвижный шарнир, закрепленный на вилке; таким образом длина неподдерживаемой части сведена к минимуму. В каком-то смысле эта конструкция является адаптацией МакФерсон для байка, хотя расстояние от вилки до колеса гораздо больше, чем в обычной автомобильной системе.
Я считаю, что одним из основных критериев конструкции было то, что она должна была выглядеть аналогично телескопическим вилкам (правильно это или нет), так как рынок лучше отреагирует на такой дизайн. Если смотреть с такой точки зрения, я считаю эту конструкцию как улучшение обычных вилок, имеющее существенный потенциал, хотя и не такой, какой предлагают другие конструкции.

(примечание 1997 г.) Это стало базовой системой, выбранной БМВ для некоторых своих современных моделей.

РЕЗЮМЕ

Я показал, что расположение колеса относительно оси руления не зависит от жесткости качающихся рычагов – как для вариаций с центральной ступицей, так и для двух-консольного типа. Но жесткость этих рычагов все же очень важна, так как любая гибкость позволяет оси руления сдвигаться от линии, где она находится на неподвижном байке, включая заднее колесо. Другими словами ЗАДНЕЕ колесо может сдвигаться относительно оси руления. Это менее важно, чем аналогичный сдвиг переднего колеса, но все же его стоит избегать. Тем не менее, эти альтернативные системы рулевого управления на практике могут также определять положение заднего колеса более позитивным образом. Нижние точки крепления (по сравнению с обычной рулевой колонкой), используемые для прикрепления всей передней конструкции, находятся ближе к заднему маятнику, а значит шасси может быть жестче, но также и предаваемые нагрузки меньше, таким образом дополнительно уменьшая степень гибкости.

В этой статье мы фактически рассмотрели только характеристики жесткости эти новых систем подвески, хотя также есть другие аспекты для рассмотрения. В следующем месяце мы сможет взглянуть на свойства анти-клевка и как они работают. Геометрия рулевого управления также важна и в следующей статье я опишу эксперименты, которые я провел для оценки разных возможностей в этом отношении.