Геодезические аспекты восадки гонщика и основных размерений гоночного велосипеда

Под геодезическими понимаются параметры мнкрс — и макрорельефа велосипедных гоночных трасс, оказываю­щие влияние на посадку гонщика и основные размерения гоночного велосипеда.

В качестве микрорельефа рассматриваются неровности, вызванные произвольным или упорядоченным (регуляр­ным) расположением элементов дорожного покрытия. К таким элементам относятся щебенка, гравий, клинкер, булыжник и т. п. В качестве макрорельефа рассматри­вается профиль трассы, образованный брошенными на дороге посторонними предметами (кирпич, бревно, рельс и Др.) или большими ямами на дорожном покрытии, ка­навами, волнообразным рельефом эпизодического и не­прерывного характера.

При анализе влияния геодезических факторов автор не хотел подвергнуть ревизии геометрию современного гоночного велосипеда, отработанного столетней мировой практикой его совершенствования и эксплуатации в ус­ловиях жесткой конкуренции профессиональных и лю­бительских гонок, но ставил задачу с позиций современной теории и практики объяснить рациональность существую­щих конструкций, наметить пути объективного их анализа и методов расчета.

В пп. 2.2 и 2.3 были рассмотрены тактико-технические аспекты выбора рациональных посадок и анатомо-антропо — метрические методы расчета параметров посадки исходя из размерений основных антропометрических данных вело­гонщика. Но посадка предусматривает оценку положения.^гонщика не только относительно велосипеда, направления основного движения вдоль трассы и встречного воздуш­ного потока, но и относительно поверхности трассы гонки. Последний аспект является важным моментом в вопросе

определения таких размерений велосипеда, как диаметр колес, координаты положения оси каретки, параметры и ступенчатость цепной передачи и т. д.

Судя по эволюции конструкций, диаметры колес го­ночного велосипеда претерпели значительные изменения. Практика начальных этапов развития велосипеда убеди­тельно показала, что колеса большого диаметра, напри­мер велосипед модели «паук», создают непреодолимые трудности посадки на него, управления и безопасности при падении. Применение колес такого диаметра в первую очередь объяснялось необходимостью увеличения переда­точного отношения примитивного механизма привода. Комфортабельность езды по дорогам с булыжным покры­тием, улучшающаяся при увеличении диаметра колес, учитывалась, по-видимому, в последнюю очередь. Приме­нение колес малого диаметра приводит к повышенной тряске на булыжных мостовых и дополнительным затра­там энергии, связанным с многоступенчатыми переда­чами и увеличенной частотой вращения колес, что требует дополнительной работы на преодоление сил трения в ско­ростных узлах шарикоподшипников.

Целесообразно начать с анализа основного размерного параметра колеса — его диаметра 2R. Задача выбора диа­метра является компромиссной и весьма ответственной, так как этот размер нормализован международным стан­дартом в целях полной взимозаменяемости однотрубок, ободов и спиц.

С одной стороны, уменьшение диаметра колеса пони­жает положение центра масс системы гонщик—велосипед и увеличивает его устойчивость при движении, улучшает маневренность, однако возрастают потери на преодоление дополнительных сил трения. С другой стороны, увеличе­ние диаметра колеса улучшает комфортабельность езды по дороге с неровным покрытием, но увеличивает массу велосипеда, повышает положение центра масс системы гонщик—-велосипед, ухудшает условия эксплуатации.

Вопрос выбора рационального диаметра целесообразно решать для наихудших условий макрорельефа поверхности дорожного покрытия, каковым следует считать булыж­ную мостовую. В современных условиях это покрытие практически исчезло с городских улиц и лишь иногда встречается в сельской местности. Но анализ контакта такого покрытия с колесом является наиболее ярким при­мером построения механической модели их взаимодейст-

вия. На рис. 2. ІЗ представлена расчетная схема такого взаимодействия при условии, что однотрубна, обод и на- бор спиц не имеют податливости, булыжник в сечении имеет правильную форму окружности радиусом г, два смежных булыжника располо- жены на расстоянии 2а друг от друга и взаимодействие происходит без проскальзы- вания. Линия наружной по- верхности колеса 1 контак- тирует с аналогичными ли- ниями смежных булыжников 2 и 3 в точках А я В. Ось ко- леса описывает укороченную циклоиду 4 в интервалах 0 х <; х/2 и х/2 <; х х. Естественно, рассматривать этот процесс в функции вре- мени без учета динамики не- целесообразно, и поэтому ура- внение движения оси колеса

У = (R + Г) [ 1 — cos (

■ € [ 0; — J — = г —а

Аналогично может быть рассмотрена кинематика взаи­модействия колеса с клинкерным дорожным покрытием. В этом случае радиус г и параметр 2а будут иметь меньшие численные значения. Результаты аналитического расчета и анализа представлены на рис. 2.14. Зависимость макси­мальной амплитуды колебаний оси колеса утах в процессе его движения и обкатывания по регулярному макрорелье­фу поверхности дорожного покрытия от радиуса колеса R носит асимптотический характер. Анализ семейства кри­вых уШах (R) при различных значениях параметров г и 2а показывает, что с увеличением радиуса колеса R максимальная амплитуда колебания оси колеса умень­шается. При R — 0,34 м и г = 0,10 м, что соответствует реальному диаметру колеса и макрорельефу типа клин­кера, утах = 0,55-10”3 м. Для покрытия дороги типа булыжника (/- = 0,075 м) утях = 8.47.10"3 м. Не пы­таясь решить вопрос оптимального выбора радиуса колеса, ограничимся тем, что отметим: радиус R = 0,34 м при-

Рис. 2.13. Расчетная схема взаимодействия колеса вело­сипеда с поверхностью до­роги, мощенной булыжником

представлено в форме: *г)] =

arcsm

R

(2.3)

близительно соответствует границе заметного изменения значений производной функции dymaxjdR (штриховая ли­ния). Следовательно, радиус гоночного колеса R = 0,34 м следует считать вполне рациональным.

‘Упах’*0’**

20

1S

П

8

R=Q, ЗЧм

Рис. 2.14. Зависимость максимальной амплитуды колебаний оси колеса i/max (————- ) И производной dy msy. ldR — const (—————————— ) от радиуса колеса при макронеровностях типа булыжного покрытия при 2а — = 0,020 м (X) и 2а = 0,0!0 м (О): / — Л = 0,010 м; 2 — г = 0,025 м; с? — г = 0,050 м; 4 — Г = 0,075 м; 5 — г — 0,100 м

•Л

Я=Й ЪЧм

€

При анализе влияния макрорельефа гоночной трассы на конструктивные размеры велосипеда основное место занимает параметр Н — так называемый клиренс, являю­щийся наименьшим расстоянием между низшей точкой велосипеда (за исключением педали) и дорожным покры­тием (рис. 2.15). Подобный анализ целесообразно вести для типовых условий, наиболее часто встречающихся в гонках. Прежде всего это относится к случаям, когда на
малой скорости приходится преодолевать такие препят­ствия, как кирпич, рельс, бревно и т. п. На больших скоростях эти предметы преодолеваются обычным прыж­ком с одновременным отрывом обоих колес от дороги. На малых скоростях подобные препятствия преодолеваются последовательным подбрасыванием сначала переднего, а затем заднего колеса. В средней фазе клиренс Н определяет возможность успешного прохождения велосипеда над препятствием. Расчетное значение клиренса шоссейного

Рис. 2.15. Три фазы преодоления препятствий на налой скорости ме­тодом последовательного перебрасывания колес велосипеда

велосипеда принимают равным Н = + hu где —

зазор, гарантирующий безопасность движения; Нх — высота препятствия.

Не менее важной величиной является просвет между нижней точкой педали и поверхностью дороги. Его зна­чение h = 0,1 м гарантирует безопасное прохождение педали велосипеда в нижнем положении над препятствием Типа кирпича (рис. 2.16).

Другим видом препятствий, встречающихся на го­ночных трассах, являются глубокие рытвины, ямы и ка­навы. Техника преодоления этих препятствий изучается при обучении приемам езды на велосипеде, и поэтому в на­стоящем издании они не рассматриваются, однако геомет­рия макропрофиля гоночной трассы является определяю­щим критерием при выборе основных размерений шоссей­ного велосипеда.

Рассмотрим типовое препятствие в виде волнообразной поверхности, характерной для пересеченной местности (рис. 2.17). Велосипед, преодолевая это препятствие ме­тодом обкатывания, т. е. без отрыва колес от поверхности трассы, будет иметь переменный клиренс, определяемый минимальным расстоянием между профилем трассы 1 и нижней точкой К передней звездочки цепного привода велосипеда. При анализе необходимо рассматривать че­тыре системы координат: неподвижную Оху, подвижную

Рис. 2.16. Просвет между Рис. 2.17. Схема расчета клиренса го — нижней точкой педали и по — ночного велосипеда при движении по верхиостью дороги пересеченной местности

Охххуъ связанную с осью ^заднего колеса и параллельную системе Оху, подвижные Olxlyl и 02х2у2, связанные соот­ветственно с задним и передним колесами и имеющие на­чало в точках контакта колес с профилем трассы. Обозна­чим: а — угол наклона рамы велосипеда относительно Огх±, «і — угол поворота системы координат 01х1у1 относительно О^іУх, сс2 — угол поворота системы 02х,,у2 относительно |х = а — а3 — угол давления, заключенный меж­ду нормалью к профилю у% в точке контакта колеса с по­верхностью и вектором относительной скорости V.