© Tony Foale Март 2000 г. (Эксперименты проводились в 1982/83 гг.)

Угол наклона

Идеи автора, упоминаемые в других статьях в отношении угла наклона оси рулевой колонки (rake) были впоследствии проверены путем изменения распространенной стандартной машины – БМВ R75/5. Выбору этой машины способствовало два ее преимущества.
Во-первых, смещение оси колеса от оси рулевой колонки делится почти на две равные части – на смещение в траверсах и на смещение оси колеса от центральной линии перьев (рис. А.1); важность этого станет очевидной дальше.
Во-вторых, БМВ бы достаточно большой и быстрый для значимых результатов, которые не были бы таковыми на медленной и легкой машине, как мопед. Для минимизации других переменных была оставлена оригинальная рама и подвеска, колесная база также не менялась. Было протестировано два нестандартных угла наклона – 15 и ноль градусов. В каждом случае вынос сохранялся примерно той же стандартной величины (т.е. 3,5” = 89 мм).

Рис. А.1 На БМВ R75/5 общее смещение (оси колеса от оси рулевой колонки) разделено примерно пополам смещением в траверсах (от оси рулевой колонки до перьев вилки) и смещением перьев (от перьев до оси колеса). Эта особенность делает такую вилку идеальной для проверки, как объяснено в тексте.

Первый протестированный вариант был с углом наклона около 15 градусов и с почти нулевым смещением. Это было достигнуто путем закрепления на раме на ботах дополнительной структуры для поддержки новой стойки (см. фото) и разворота траверс; так как их смещение очень близко к смещению оси колеса, общее смещение было уменьшено фактически до нуля. Для второй конструкции угол наклона был установлен близким к нулю (т.е. вертикальная ось рулевой колонки). Это было получено путем переворота всей конструкции передней вилки, что дало отрицательно смещение для сохранение стандартного выноса. Новая стойка поддерживалась продолжением изначальной структуры. В обоих случаях руль вращался на своем обычно месте и был связан с вилкой шаровым соединением; побочный эффект этого был настраиваемой пропорции руления – т.е. при данном угле поворота вилки можно было менять требуемый угол поворота руля. При 15-градусном наклоне байк был полностью оснащен для дороги, включая освещение, так что на нем можно было ездить ежедневно; и действительно, пять водителей проехали на нем около 2000 миль по переулкам, в лондонских пробках и по шоссе. В течение этого периода демпфер руля не ставился.

Стандартный БМВ R75/5, использованный как основа для экспериментов с углом и выносом, имеет изначальный угол 27 градусов и вынос 3,5” (89 мм) на уровне дороги.

Хотя результаты этих тестов по существу субъективны и можно было ожидать, что они будут зависеть от опыта, личных предпочтений и заранее устоявшихся мнений, в действительности у разных водителей не возникло расхождения во мнениях. Изначальное испытание проходило на ухабистой, изрытой колеями узкой загородной дороге на скоростях до 50 миль/ч. Наиболее заметным эффектом в нем была полная нечувствительность руления к колеям и ухабам. Не только на байке можно было ехать без рук, но и одновременно на ухабах его можно было качать из стороны в сторону с небольшим усилием и при незаметном отклонении от траектории. В поворотах ухабы оказывали слабое влияние, что было противоположно поведению данной конкретной машины до переделки, когда у нее была сильная склонность – без демпфера руля – вилять передом (иногда очень сильно) на ухабистых поворотах. Это отсутствие воздействия от продольной колеи было также подтверждено на более ровных дорогах на более высоких скоростях, когда машину вели по краю белых линий разметки. Хотя и непредвиденное, это достоинство легко объяснить – см. рис. А.2. Если мы представим угол наклона в 90 градусов (т.е. горизонтальную ось рулевой колонки), мы увидим, что боковая сторона колеи вызывает момент поворота вокруг оси рулевой колонки, которая стремится повернуть колесо обратно в колею. Тем не менее при вертикальной оси рулевой колонки (нулевой угол), нет никакого влияния на руление; вместо этого нарушение равновесия стремится наклонить всю машину в колею. В этом случае, однако, так как инерция всего байка гораздо выше инерции одного переднего колеса, влияние на путевую устойчивость значительно ниже, и водитель меньше опасается колеи. Следовательно, чем круче расположена ось рулевой колонки, тем меньше этот эффект.

Рис. А.2 Эффект колеи на руление возрастает с увеличение угла наклона рулевой колонки, как показано в этом утрированном случае. Вертикальная ось рулевой колонки уменьшает эффект.

В предыдущей главе мы предположили, что устойчивость можно повысить, особенно на низких скоростях, путем уменьшения угла наклона рулевой колонки. Для проверки этого было проведено много дорожных испытаний на очень низких скоростях, и модификации действительно повысили устойчивость. Машину можно было легко вести гораздо медленнее, чем в стандартном варианте до момента, когда водителю приходилось выставлять ногу. (Разумеется, испытатели-чемпионы могут бесконечно балансировать на неподвижной машине, но это исключительный случай, и большинству из нас необходимо какое-то движение вперед для сохранения баланса). В условиях интенсивного движения было заметно легче медленно продвигаться вперед на модифицированном БМВ, что облегчало поездку с одного конца Лондона на другой. Когда новичка просили попробовать проехать на машине, без предварительного объяснения, он комментировал об удивительной легкости трогания с места; было меньше виляния, чем обычно есть у байков с большим углом наклона, и его ноги быстрее оказывались на подножках. Было сделано предположение, что необычно крутое расположение оси рулевой колонки может вызвать виляние на высокой скорости. Тем не менее, при обоих экспериментальных углах наклона на БМВ (15 и ноль градусов), этого не было замечено. С отпущенным рулем машина двигалась на скорости, примерно, 100 миль/час до скорости пешехода и ни разу не возникло тенденции к вилянию или раскачке. С доверием к машине, приобретенным за несколько таких поездок, была сделана попытка толкнуть руль для инициации виляния. Однако, независимо от скорости, отклонение гасилось меньше, чем за один цикл. При стандартной конструкции (угол наклона в 27 градусов) эта конкретная машина могла входить в существенную раскачку переда при движении без руля на скорости от 30 до 40 миль/ч, хотя ее можно было легко гасить, просто схватив руль. Путевая устойчивость постоянно была великолепной, и огромное доверие постепенно возникало у водителя уже в самом начале испытаний.

Следующее достоинство более крутых углов наклона состояло в увеличившейся чувствительности передней вилки к небольшим ухабам. Это происходит из-за уменьшенного “STICTION” (статического трения) в перьях вилки в результате уменьшенной боковой нагрузки. (Нормальная боковая составляющая нагрузки, уменьшенная примерно в половину при угле наклона в 15 градусов, и практически убранная при нулевом угле наклона.) дополнительно это уменьшение боковой составляющей нагрузки сопровождалось увеличением составляющей нагрузки на пружину при более вертикальной установке перьев – что дает тот же эффект, что и уменьшенная жесткость пружины. Эффективная жесткость немного меняется при угле наклона от нуля до 15 градусов, но примерно на десять процентов выше при 27 градусах. Аналогично, составляющая нагрузки на пружину при торможении уменьшается с уменьшением угла наклона. Более того, так как сила пружины действует вместе с переносом веса, сжимающего вилку, уменьшение означает меньший клевок носом. По этой причине эффективный спад в жесткости пружины не был нежелательным и комфорт езды заметно улучшился.

.

Верхнее фото показывает дополнительную конструкцию, давшую неизмененный вынос при нулевом смещении и угол наклона в 15 градусов.
Нижнее показывает удлиненную структуру с перевернутыми перьями, давшую такой же вынос и угол наклона, близкий к нулю.

Однако при торможении был замечен недостаток – в виде сильной вибрации вилки под воздействием силы торможения, изгибавшей ее назад. Естественно, вибрация была сильнее при вертикальном расположении вилки, несмотря на то, что переворот перьев превратил опережающий двухколодочный тормоз в гораздо менее эффективный отстающий. Такая вибрация полностью отсутствовала в стандартной вилке, хотя была достаточно неприятной при 15 градусах.

Рис А.3 Уменьшение угла наклона оси рулевой колонки уменьшает статическое трение в перьях телескопической вилки, улучшая чувствительность к небольшим ухабам. Также уменьшается клевок переда.

Если не заостряться на этом эффекте, то одним из очень интересных результатов (отмеченных всеми водителями) было удивительно нормальное чувство измененной машины – приятно легкое управление на низких скоростях, но при этом полностью устойчивое. Никакой особой техники вождения не потребовалось, и повороты проходились как обычно. Настраиваемое соотношение поворота, упоминаемое ранее было испытано при отношении от 1:1 (равное обычному непосредственному рулению) до 1:2 (угол поворота удвоен от руля до вилки). При обычной езде (сухая дорога) было невозможно почувствовать разницу, только при маневрировании на месте с большими углами поворота руля было заметно, что при отношении 1:2 это тяжелее.

Тем не менее, так как меньший угол наклона в любом случае облегчает руление, даже то усилие, которое требовалось при отношении 1:2, было схоже с усилием на стандартной машине. Действительно, уменьшенный угол поворота руля мог бы стать преимуществом при конструировании не поворачиваемого обтекателя, так как просвет между рулем и обтекателем обычно приводит к громоздкой форме, если не ограничивать степень поворота.

В обоих экспериментах руль был соединен с вилкой шаровым соединением для отношения поворота от 1:1 (прямое) до 1:2 (повышенное)

Тони Фоал демонстрирует устойчивость, полученную при угле наклона в 15 градусов на измененном БМВ.

Вынос

Во время экспериментов с углом наклона сохранялся стандартный вынос около 3,5 дюймов (89 мм). И все же было разумным предположить, что оптимальный вынос (если есть таковой вообще) может меняться при изменении угла наклона.

Для проверки размеров выноса от 2 до 4 дюймов (5 – 10 см) с нулевым смещением была сделана эта настраиваемая двухрычажная подвеска.

Для проверки на БМВ была закреплена передняя двухрычажная подвеска (см. фото), позволявшая изменять вынос и варьировать угол наклона путем изменения длины рычагов. Смещения не было совсем, а вынос изменялся от 2 до 4 дюймов при варьировании угла наклона при каждом значении в обе стороны от 15 градусов. Хотя машина была великолепно управляема во всем диапазоне установок, перед показал себя более живым, а руление более чувствительным к ухабам при уменьшении выноса (меньший угол наклона), тем не менее, не настолько чувствительным, как при стандартной конструкции. В верхнем диапазоне установок выноса байк был очень устойчив, но все же быстро реагировал на руль. При выносе около 3 дюймов была тенденция самоподъема машины из наклона при повороте на средних углах наклона (скажем, от 15 до 20 градусов), хотя такого эффекта не было замечено при более высоких скоростях поворота (когда требовался наклон от 35 до 40 градусов). Когда машина кренится в повороте, вынос вызывает два противоположных эффекта: (1) путевую устойчивость, стремящуюся выпрямить машину вертикально, и (2) самоповорачивающий эффект (также зависящий от угла наклона и диаметра колеса), упомянутый в главе 3, стремящийся повернуть машину в сторону наклона. Для получения нейтрального управления, эти эффекты должны быть правильно сбалансированы (в комбинациис некоторыми другими параметрами), а только что упомянутая проблема, если она понимается неправильно, считается вызываемой неподходящей комбинацией этих эффектов у конкретной машины при критическом угле наклона или выносе. Считается, что при больших углах наклона в повороте эффект самоповорачивания должен преобладать над стремлением к прямолинейному движению.

Выводы

Рамки наших экспериментов были ограничены временем и деньгами. Тем не менее, результаты показали необходимость в более всесторонних и количественных тестах. Мы надеемся, что какой-нибудь из крупных производителей может принять потенциальные выгоды и выделит свои ресурсы для дальнейших исследований. Эти тесты показывают, что современная предпочитаемая геометрия может быть далека от «оптимальной».

Угол наклона

Из наших экспериментов видно, что нет ничего магического в обычном угле наклона от 27 до 28 градусов. Действительно, баланс, устойчивость и легкость руления – все это улучшалось при уменьшении угла. Большее улучшение было от самого первого изменения (от стандарта до 15 градусов), последующее изменение до нулевого угла наклона давало незначительную разницу. Многие эффекты угла продольного наклона примерно зависят от косинуса этого угла, косинус угла 15 градусов равен 0,97, что немного отличается от значения 1,00 для вертикального расположения рулевой колонки. При 27 градусах косинус уменьшается до 0,89 – более существенное отличие.
Единственный замеченный недостаток – вибрация при торможении – является следствием плохой структурной целостности телескопической вилки как типа. Мы не предлагаем строить машины с малым углом наклона, используя вилку, закрепляемую на передней стойке, как телескопическую, так и рычажную – тянущего или толкающего типа, потому что вытекающее из этого высокое переднее расположение стойки вызывает структурные и стилевые проблемы. Гораздо лучше рассмотреть некоторые формы подвесок с центральной осью или другие рычажные варианты, такие как использованные в экспериментах.

Вынос

Кроме необходимости избежать упомянутой критической ситуации, не было найдено явного оптимального значения. Результаты были удовлетворительны во всем диапазоне теста, так что личные предпочтения становились решающим фактором.