Перспективные конструкторские решения основных узлов гоночного велосипеда
Прежде всего необходимо отметить, что в велостроении определяющим типом всегда был шоссейный гоночный велосипед. Этот тип велосипеда совершенствовался в самых сложных условиях конкурентной борьбы как среди гонщиков, так и среди ведущих велостроительных фирм. Наилучшие конструкторские решения распространялись затем, как правило, на другие типы велосипедов, включая туристские и обыкновенные дорожные. Не будем забывать, что определенную лепту в развитие велостроения внесли также конструкторы трековых велосипедов.
Компоновочная схема. Компоновка гоночного велосипеда на протяжении многих десятилетни (вплоть до 1980-х гг.) практически не изменялась или изменялась незначительно. К числу таких незначительных изменений относятся, как правило, результаты поиска более рациональных углов рам и передних вилок. Определенный застой в решении этих проблем объясняется качеством шоссейных дорог того периода, которые в силу плохого дорожного покрытия требовали вполне определенных жесткостных свойств рамы — основного несущего узла велосипеда
Интересно проанализировать традиционную схему компоновки современного шоссейного гоночного велосипеда, оснащенного по последнему слову техники велостроения. Велосипед такой компоновки остается и будет еще некоторое время оставаться основным в шоссейных многодневных и однодневных групповых гонках. Характерными особенностями этого велосипеда являются тенденция увеличения жесткостных свойств рамы за счет уменьшения изгиба передней вилки, уменьшения размеров задней вилки и поджатая заднего колеса вплотную к подседельной трубе рамы; введение тросов тормозов и переключателей передач внутрь труб рамы; установка аэро-
Рис. 4.2. Новая компоновка шоссейного гоночного велосипеда для командных^ н индивидуальных гонок на время, существенно отличающаяся от традиционной |
Рис. 4.3. Велосипед с усовершенствованной аэродинамикой, рулевой колонки рамы, тормозов, передней вилки и т. д.
динамических тормозов за задней и перед передней вилками по ходу движения колес; применение спи — цевого набора колес с уменьшенным числом спиц (до 28); отсутствие штатного насоса; установка аэродинамических педалей, смещенных относительно своей оси, и использование современных легких и прочных материалов.
Дальнейшее развитие традиционной компоновочной схемы гоночного велосипеда в начале 1980-х гг. привело к принципиальным изменениям как у шоссейных, гак и у трековых велосипедов (рис. 4.2). К числу основных изменений относятся увеличение жесткости рамы за счет уменьшения высоты рулевой колонки и превращения четырехугольного остова рамы в треугольный; установка дисковых колес; замена ажурной конструкции системы передних звездочек на сплошные дисковые звездочки на трековых велосипедах; установка рулей, изогнутых только вперед; замена труб рамы круглого сечения на трубы аэродинамического профиля 2 и 5 на рулевой колонке 1 и передней вилке 4 велосипеда (рис. 4.3).
Дальнейшее рассмотрение перспективных конструкторских решений связано с описанием отдельных узлов гоночного велосипеда.
Втулки колес. Втулки гоночного велосипеда прошли длительный путь развития: от втулок на подшипниках скольжения до точного конструкторского исполнения на базе насыпного шарикоподшипника. В основе решения задачи обеспечения точности лежат технология изготовления, термическая обработка, доводка и последующая сборка шарикоподшипникового узла. Несмотря на тщательно отработанную технологию и ювелирную сборку точность и надежность этого узла не отличаются высокими показателями, когда речь идет о массовом или крупносерийном изготовлении гоночных велосипедов. Основными дефектами являются радиальное биение среднего
диаметра резьбы оси втулки относительно центров оси, шариковых дорожек конусов относительно средних диаметров их резьб; радиальное и торцовое биение шариковых дорожек чашек относительно их внешних диаметров; микротрещины и погрешности формы в чашках и конусах после термообработки.
Конструкторы вновь вернулись к уже известной с начала нашего века компоновке шарикоподшипникового узла втулки гоночного велосипеда, предложив использовать стандартные высокоточные шарикоподшипники 1
Рис. 4.4. Шарикогодшипииковый узел втулки: 1 — со стандартными шарикоподшипниками; 2 — традиционная конструкция |
(рис. 4.4). По сравнению с традиционным вариантом 2 новая конструкция обладает рядом существенных преимуществ, основное из которых — высокий уровень соблюдения режимов термообработки, доводки и сборки стандартных шарикоподшипников на заводах-изготови — телях. А узел втулки собирают на велосипедном заводе с соблюдением требований посадки шарикоподшипника в гнездо и на ось втулки. При этом существенно сокращается число составляющих звеньев сборочной размерной цепи (РЦ), и благодаря фиксации замыкающего размера (люфтов в шарикоподшипнике) сложную пространственную РЦ удается фактически перевести в две плоские РЦ, замыкающими размерами которых являются торцовое и радиальное биение стандартного шарикоподшипника, состоящего всего из трех деталей: внутреннего и внешнего колец и набора шариков. Масса такой втулки существенно меньше традиционной. Однако использование стандартных шарикоподшипников требует тщательной проверки и испытаний.
Вопрос о диаметре фланцев втулок долгое время оставался открытым. Как конструкторы, так и гонщики предпочитали в различные времена различные диаметры
фланцев. Так, в 1950-е гг. доминировали малые фланцы втулок, в 1960-70-е гг. — большие фланцы, в 1980-е гг. явно обозначилась тенденция к использованию фланцев умеренных размеров, приближающихся к минимально возможному.
Оптимальный вариант, как всегда, следует искать в промежуточном решении, а именно: передние колеса оснащают втулками с малыми фланцами, задние колеса — с увеличенными. Такое решение объясняется тем, что заднее колесо находится под действием крутящего момента и радиальной нагрузки, переднее же колесо — только под действием радиальной нагрузки. Эго позволило в передних колесах вообще отказаться от крестового набора спиц и ограничиться их радиальным расположением и ввинчиванием резьбовой части спицы в периферийную часть фланца.
Цепной привод. Исторически сложилось так, что привод велосипеда прошел несколько этапов развития: ножной привод К. Драйза, когда гонщик, сидя в седле, отталкивался ногами от земли, сменился педальным приводом с непосредственной установкой педального комплекта на переднем колесе велосипеда типа «Паук»; современный же педально-цепной привод находится на заднем колесе велосипеда. Известны и другие системы привода, которые не получили практического развития из-за низкого КПД и сложности конструкции. Педальноцепной привод — наиболее совершенное на сегодняшний день конструкторское и технологическое решение задачи передачи энергии в велосипеде. Но технический прогресс наблюдается и в этой области. Стало известно, что ео Франции успешно прошла испытание передача на базе зубчатого ремня, выполненного из высокопрочных волокон, обладающих малой податливостью.
Цепной привод характеризуется рядом свойств, исключительно ценимых конструкторами гоночных велосипедов: относительно малой податливостью системы, возможностью продольных перекосов цепи, передачей значительных по величине усилий, возможностью рационального подбора требуемого передаточного отношения, сравнительно малой неравномерностью хода пепи, высокими КПД.
Недостатками цепных передач гоночных велосипедов, являются неравномерность движения цепи и ведущей звездочки, повышенное изнашивание звеньев цепи и звездочек, необходимость постоянного промывания, чистки и смазывания открытой цепной передачи.
Рассмотрим современные тенденции развития привода гоночного велосипеда.
Во-первых, привод остается пока еще цепным; во-вторых, принцип его организации и компоновки на велосипеде остается на уровне 1950-х гг. Однако имеются и заметные изменения в отдельных деталях и узлах привода. Эти изменения направлены на расширение диапазона передач за счет установки наборов передних звездочек с числом зубьев от 44 до 56 (перепад зубьев в паре — от 6 до 12), а также увеличения числа зубьев трещотки с пяти до шести и даже семи. Таким образом, общее число передач вместо традиционных 10 возросло до 14. Это позволяет не только расширить диапазон передач, но также иметь совпадающие или перекрываемые числа передач, что снижает износ отдельных, наиболее часто употребляемых и интенсивно нагруженных звездочек трещотки.
Трещотка — достаточно сложный в изготовлении узел, подверженный интенсивному изнашиванию. Поэтому ее конструкция должна обеспечивать замену изношенных звездочек. Такие конструкции трещоток со шлицевой посадкой четырех звездочек выпускались Харьковским велосипедным заводом в 1950-х гг. Затем они были сняты с производства и заменены традиционной конструкцией с пятью звездочками. Сегодня ведущие велосипедные фирмы мира вновь концентрируют внимание на шлицевых трещотках, но уже в новом конструктивном исполнении, обеспечивающем более высокую технологичность изготовления и сборки.
Наметились некоторые конструктивные изменения и в каретке гоночного велосипеда, имеющие непосредственно отношение к цепному приводу. Эти изменения направлены на то, чтобы увеличить крутильную жесткость системы соединения правого кривошипа и ведущих звездочек (рис. 4.5). В традиционной конструкции (рис. 4.5, а) кривошип / расположен симметрично относительно смежных лапок 2, образуя с ними угол фі = я/5. В ноеой конструкции (рис. 4.5, б), предлагаемой иностранным» фирмами, ф2 <С фі — л/5. Кроме того, заделка оси педали в резьбовом отверстии 3 усилена за счет увеличения диаметра этого отверстия. Важная роль отводится также аэродинамике всей системы, ее улучшают за счет обтекаемого профиля самого кривошипа и его •лапок.
Задний суппер. Переключатель скоростей — суппер — один из узлов гоночного велосипеда, имеющих наиболее ‘низкие показатели надежности. Функции заднего суп — пера — переключение передач, компенсация излишков (недостачи) цепи при переходе с большой на малую ведущую звездочку, поджатие движущейся цепи к рабочей звездочке трещотки, обеспечение заданного натяжения в контуре цепи.
Рис. 4.5. Варианты конструктивного исполнения правого кривошипа: а — традиционная конструкция; б — предлагаемая |
Практическая реализация этих функций заднего суп — пера дала большое число конструкторских решений, из которых на сегодняшний день в мировом велосипедном спорте явно доминирует конструкция итальянской фирмы.«Компаньола» («Campagnola»), появившаяся в начале -1950-х гг. Последующие модификации, выполненные различными фирмами, практически не изменили существа этой конструкции, а лишь расширили диапазон их применения с учетом специфики гонок и самого гонщика. На примере трех модификаций суппера фирмы «Симплекс» («Simplex») можно проследить общие закономерности современных тенденций развития конструкции этого узла (рис. 4.6).
Прежде всего, традиционный унифицированный геометрический параллелограмм, образованный кронштейном 1, корпусом 5, левым 3 и правым 6 рычагами, лежит — в основе конструкции всех модификаций. Отличительной
4 Любовицкий В. П. 97 особенностью модификаций Б и В по сравнению с модификацией А является конструкция кронштейна (модификация В) и подвески узла роликов с пластинами (модификации Б и В). Так, во всех модификациях высота подвески Я, определяемая расстоянием по вертикали между осью 2 кронштейна 1 и осью верхнего ролика 4 различна и зависит от числа зубьев звездочек трещотки.
А Б
Если число зубьев звездочек больше 22, предпочтение следует отдавать модификации В. Однако эта конструкция ухудшает условия работы цепи на звездочках с малым (13—15) числом зубьев, так как условия ввода звеньев цепи в зацепление с зубьями звездочки трещотки обеспечивают меньшую надежность работы цепного привода. В этом случае модификации А и Б являются более п редпочтител ЬНЫМИ.
Педали. Педальный комплект является узлом велосипеда, на который, как правило, гонщик обращает внимание в последнюю очередь и с точки зрения аэродинамики допускает при этом серьезную ошибку, так как при частоте педалирования 100 об/мин и скорости дви —
окения велосипеда 50 км/ч педали в верхнем положении движутся со скоростью 56,4 км/ч. Поэтому аэродинамика педалей имеет существенное влияние на общий энергетический баланс системы гонщик—велосипед.
Традиционные рамочные педали в понимании конструк — торсв, занятых перспективным проектированием гоночных велосипедов, уже являются анахронизмом. Пред-
Рис. 4.7. Современная конструкция педали (литой корпус уменьшает массу педали и увеличивает жесткость конструкции) |
лагаемая в рекламных проспектах и новых моделях гоночных велосипедов конструкция педали представляет собой литой корпус 2 (рис. 4.7) из алюминиевого сплава, иа котором с помощью двух винтов монтируется туклипс 3. Ремень 1 с пряжкой остается неотъемлемым атрибутом педали.
Педаль представляет собой хорошо обтекаемую объемную форму 4 с минимальными показателями аэродинами — яеского сопротивления при взаимодействии со встречным потоком 5.
Идея оптимизации параметров цепного привода по критериям кинематики н динамики коснулась и педалей. В гл. 2 эти вопросы уже были рассмотрены, и некоторые
Рис. 4.8. Новое решение конструкции педали гоночного велосипеда — педаль с углепластиковым корпусом
результаты анализа представлены на рис. 2.22 и 4.8, где показаны перспективные конструкции, в которых ось педали имеет укороченный размер и смещена относительно поверхности опоры педали.
Пластические материалы на основе высокомодульных угольных волокон позволили сделать очередной шаг в совершенствовании конструкции педали. Корпус 2 (рис. 4.8), сформованный из углепластика, имеет укороченные размеры, так как центр эпюры давления стопы гонщика на педаль расположен в непосредственной близости от кривошипа. Аналогичные размеры имеет и ось 4. Туклипс 3 смонтирован на корпусе с помощью двух винтов. Ремень 1 с пряжкой выполнен традиционно
Описанная конструкция педали помимо уменьшенной массы обладает еще одним важным свойством — позволяет проходить виражи с большим наклоном велосипеда относительно поверхности трека или шоссе. На рис. 4 9 показаны предельные углы наклона виража трека при прохождении велосипеда, оснащенного традиционной рамочной педалью (рис. 4.9, а) и педалью перспективной конструкции (рис, 4.9, б). Новый вариант конструкции педали позволяет уменьшить угол наклона велосипеда на 15° при прохождении плоского виража (рис. 4.9, в).
В перспективных разработках все чаще встречаются предложения отказаться от системы туклипсов и ремней и ограничиться фиксацией велотуфли на педали с помощью специальной жесткой системы крепления. При установке велотуфли в педаль система крепления срабатывает после разворота рычага в требуемом направлении и фиксации его. Плотность посадки стопы гонщика в велотуфлю обеспечивается шнуровкой и дополнительной верхней накладкой.
Аналогичные решения уже встречались и ранее. Особенно часто к подобным решениям прибегали при установлении рекордов в гонках на время в стайерских
заездах, в том числе итальянец Ф. Мозер в январе 1984 г. Утверждать безоговорочно преимущество таких педалей и велотуфель нет оснований, так как они могут оказаться значительно массивнее традиционных. Подавляющее большинство гонщиков, в том числе спринтеров, пока предпочитают педали с туклипсами и ремнем, считая, что они более жестко и надежно удерживают стопу в велотуфле и в педали. Существует, однако, мнение, что бестуклипс — ный вариант крепления велотуфли в педали обеспечивает
а) 6) 6) Рис. 4.9. Иллюстрация преимущества новой конструкции педалей перед традиционной |
лучшее кровообращение в стопе гонщика, освобождая ее от затяжки ремнем. В любом случае рассмотренный вариант применим только на треке и шоссе в командных или индивидуальных гонках на время.
Седло. Седло гоночного велосипеда является предметом особого обсуждения, так как именно оно в первую очередь обеспечивает удобство посадки, уменьшая колебательные воздействия на организм гонщика и усталостные явления в костно-мышечном аппарате, непосредственно охватывающем область таза гонщика. Прежде всего необходимо говорить о седле для гонщика, специализирующегося в многодневных шоссейных и трековых гонках. Здесь качество и точность индивидуального его подбора во многом определяют самочувствие гонщика, его работоспособность и возможность обеспечения высокого качества педалирования.
Длительное время на мировом рынке спортивного велосипедного инвентаря доминировали модели кожаных седел английской фирмы «Брукс» («Brooks»). Начиная с 1970-х гг. широкое распространение получили седла из искусственных материалов. Подобные седла устанавливаются и на современных гоночных велосипедах Харьковского велосипедного завода.
Конструкторы постоянно работают над совершенствованием этого узла, пытаясь снизить его массу, обеспечить удобство посадки гонщика, сократить номенклатуру деталей, входящих в этот узел. Один из перспективных вариантов седла (рис. 4.10) помимо традиционного проволочного каркаса 2, натяжного устройства 3, дуги / и покрышки 4 из полимерного материала дополнительно имеет пористый поролоновый слой 5 переменной толщины и чехол 6 из натуральной или искусственной кожи.
5 В Рис. 4.10. Перспективная конструкция седла гоночного велосипеда |
Чехол можно легко заменить в случае его изнашивания или повреждения.
Всеохватывающие попытки снизить общую массу гоночного велосипеда коснулись и таких узлов седла, как замок и подседельный штырь. Важнейшей особенностью в перспективных вариантах конструкции замка является
возможность фиксации седла одним винтом по двум основным направлениям перемещения: продольно-поступательному и вращательному в продольно-вертикальной плоскости. Винт 6 (рис. 4.11), специальная шайба 5, шлицевой мостик 4, кронштейн 3, прижим 2 и специальная гайка / монтируются на подседельном пальце 7. Предлагаемый вариант конструкции замка седла дополнен усовершенствованным подседельным штырем 10 с про- фрезерованными пазами 9 и утоненной верхней частью 8.
Руль. В шоссейном гоночном велосипеде руль по-преж-
Рис. 4.11. Узел крепления седла
нему остается в рамках установившихся традиционных форм с некоторой индивидуальной подгонкой гонщиком согласно его антропометрическим особенностям. Установка на руле специальных туго натянутых чехлов из кожи или других материалов является новым и перспективным решением, избавляющим гонщика от обматыва-
Рис. 4.12. Последовательные разработки конструкции выноса руля |
ния руля лентой, что не всегда удается выполнить с надлежащей точностью и надежностью.
Объектом достаточно интересных разработок является вынос руля (рис. 4.12). Традиционной формы замок 3 и круглая труба / (рис. 4.12, а) заменяются замком 4 с повышенными аэродинамическими характеристиками (рис. 4.12, б). Вариант на рис. 4.12, в предусматривает Новейшую конструкцию замка со встроенным сухарем вцутри и сплюснутой формой трубы выноса 5. Надежная •W хорошо зарекомендовавшая себя в прошлом цанговая система 6 крепления в трубе передней вилки заменяется Блиновой системой 2, которая технологичнее в изготовлении, сборке и эксплуатации.
Тсфмоза. В перспективных разработках гоночных велосипедов тормоза принципиально остаются практически на
уровне моделей 1950-х гг. Доминирующим вариантом является асимметричная конструкция хорошо зарекомендовавшая себя как легкая, компактная и хорошо настраиваемая. Однако появились интересные решения, связанные с нетрадиционным расположением тормозов на велосипеде. Например, создана конструкция, в которой на задней вилке тормоз размещен с тыльной стороны по ходу вращения заднего колеса, а на передней вилке — с фронтальной стороны по ходу вращения переднего колеса. Такое решение диктуется, с одной стороны, соображениями снижения аэродинамического сопротивления, особенно на передней вилке, с другой — лучшей компоновки велосипеда в целом.
Фляги. Компактные емкости в виде бачков или фляг, используемые гонщиками для жидкого питания или питьевой воды, также подвергаются анализу специалистов с позиции снижения аэродинамического сопротивления. Традиционная фляга цилиндрической формы емкостью около 0,5 л имеет большое лобовое сопротивление и с успехом может быть заменена компактными плоскими флягами, их емкость не менее 0,5 л. Плоская фляга удачно вписывается в габариты рамы и укрывается за наклонной трубой рамы в зоне разрежения набегающего воздушного потока.
Дисковые колеса. Колеса, собранные на основе іканьїх дисков из высокомодульных волокон, являются вершиной достижений современной творческой мысли конструкторов и изобретателей велосипеда. Сейчас, когда дисковые колеса стали реальностью и с каждым днем все больше завоевывают велосипедный мир, стало очевидным, что именно колеса велосипеда всегда нуждались в самом пристальном внимании специалистов, ибо большая окружная скорость создает значительную силу аэродинамического сопротивления. И тем не менее именно колеса — наиболее уязвимые в аэродинамическом отношении узлы велосипеда на протяжении последних пятидесяти лет оставались практически без принципиальных изменений, если не считать их последовательную доработку в плане совершенствования конструкции ободов, спиц и увеличения точности втулок.
В настоящее время достаточно четко обозначились три направления развития конструкции дисковых колес, связанные в первую очередь с технологией их изготовления.
Рис. 4.13. Три варианта конструктивного исполнения дискового колеса: а — колесо со спицевым набором, оснащенное аэродинамическим кожухом; б — колесо в форме оболочки; в — колесо в форме оболочки с наполнителем
Первое направление предусматривает решение задачи чисто аэродинамического плана. Для этих целей может быть использовано обычное колесо 1 (рис. 4.13, а) со спицевым набором 2. Для придания ему улучшенных аэродинамических свойств на наружную поверхность спицевого набора на — тягиваюттонкий аэродинамическ ий кожух 3. Материал этого кожуха и его изготовление нолностью диктуются еозможностями технологии. Здесь главная проблема состоит в использовании такой тонкой пленки или такого текстильного материала, которые, улучшая аэродинамические характеристики колеса, не приводят к существенному увеличению его массы и момента инерции. Одновременно к такой конструкции аэродинамического кожуха предъявляются повышенные требования точности изготовления, равномерного натяжения и отсутствия складок и волнений на его поверхности.
В качестве материалов для изготовления аэродинамического кожуха могут быть использованы высокомодульные пленки, тонкие текстильные материалы, например батист, с последующей поверхностной пропиткой лаком. В качестве несущей конструкции здесь по-прежнему остается спицевый набор. Недостаток этого решения — заметное увеличение массы и момента инерции колеса.
Второе направление предусматривает принципиально •иную компоновку колеса, в котором роли несущей кон — кструкции и аэродинамического кожуха объединены ‘(рис. 4.13, б). На фланце втулки 4 особой конструкции ’Заформован тканый диск 5. Ткань в нем имеет радиальный набор основных нитей. Периферийная часть диска заформована в обод 6 особой конструкции. В качестве исходных материалов для изготовления дисков применяют например, нити на основе СВМ-волокон и угольных волокон.
Рис. 4.14. Один из вариантов маршрутной технологии изготовления дискового колеса: о — формование диска на втулке; б — то же на ободе; в — соединение полувтулок; г — соединение полуободов; д — механическая обработка втулки; е — то же обода
О) Ч wq — V Ю г) |
д) е) |
[8 |
Третье направление, являясь дальнейшим развитием второго, предусматривает полное или частичное заполнение сформованной оболочки (рис. 4.13, в) специальным сверхлегким пенопластом 7 переменной плотности по радиу
су колеса. Такое технологическое решение позволяет увеличить крутильную и радиальную жесткость колеса, уменьшить толщину ткани оболочки, создает возможность отказаться от тканой конструкции диска и перейти к использованию сверхтонких специальных пленок.
Во всех рассмотренных случаях успех дела решает современная технология изготовления дисковых колес. Известны различные варианты технологических маршрутов. Остановимся только на одном, дающем представление о принципиальных особенностях процесса изготовления дискового колеса.
Тканый диск 1 (рис. 4.14, а) в радиально натянутом состоянии под действием равномерно распределенной нагрузки q заформовывается во фланец половины втулки 2. Аналогичным образом периферийная часть диска заформовывается в половину обода 3 (рис. 4.14, б). Далее формуются две половины втулок в единую втулку 4 (рис. 4.14, в) и единый обод 5 (рис. 4.14, г). Операция по обеспечению точности обработки втулки и обода состоит в первоначальной механической обработке втулки (инструмент 6) при базировании колеса по ободу 7 (рис. 4.14, д) и в последующей механической обработке обода (инструмент 9) при базировании по уже обработанным поверхностям 8 втулки (рис. 4,14, е). Заключительная операция — статическая и динамическая балансировка собранного колеса (см. гл. 6).