Основы вилкостроеиия

99,9% всех современных вилок устроены по принципу телескопа. Две трубы разных диаметров вдвигаются друг в друга. Конструкция известна давно, технология отработана, надежность и долговечность более-менее на уровне, вес невелик, но естьи недостатки. К сожалению, с точки зрения механики телескопическая вилка далеко не идеал, потому что:

• силы, возникающие при торможении, работе самой вилки и при рулении не разделены, что заставляет делать ее конструкцию более прочной и тяжелой;

• геометрия байка (выкат, колесная база) меняется при сжатии вилки. Поэтому меняется устойчивость и управляемость;

• большое расстояние от оси колеса до рулевого стакана приводит к изгибу вилки под нагрузкой. Это заставляет делать ее более жесткой и, соответственно, более тяжелой;

• внутреннее трение достаточно велико, а из-за того, что вилка при преодолении неровностей работает еще и на изгиб, еще более возрастает. Трение ухудшает чувствительность вилки, колесо не успевает отрабатывать неровности, что, разумеется, плохо сказывается на безопасности и управляемости. Велосипедная вилка находится в гораздо менее выгодных условиях, чем вилка у мотоцикла. Причина достаточно проста — разный масштаб сил, действующий на вилку в обоих случаях. Если силы внутреннего трения и начальные сдвиговые усилия у велосипедной и мотоциклетной вилок приблизительно одинаковы, то инерционные силы, определяемые неподрессоренными массами, различаются очень сильно. Действительно, масса велосипеда и велосипедиста в сумме редко превосходят 100 кг, а нагрузка на переднюю ось — не более 30-40 кг. А масса мотоцикла редко бывает меньше 100 кг, обычно 150-300 кг, плюс бензин, масло, вода в радиаторе и сам мотоциклисте пивом и бутербродами. Нагрузка на ось существенно выше, и мотоцикл просто «не чувствует» сдвиговых усилий и паразитного внутреннего трения в вилке при наезде на мелкую колдобину. Велосипедная вилка из-за этого работает на пределе возможностей, и конструкторам приходится идти на всяческие ухищрения для улучшения чувствительности вилки и сохранения при этом надежности и ресурса ее работы;

PopLoc — дистанционное управление "НШШ демпфером (на руле)

Motion control — управление отбоем

регулировка отбоя

клапан позитивной воздушной пружины (камеры)

воздушная „регулировка хода Air U-Turn в сборе

клапан негативной воздушной пружины (камеры)

Рис. 3.83. Устройство вилки REVELATION от RockShox

регулировка клапана FG регулировка скорости сжатия Motion control — управление-*^ скоростью сжатия

поршень между воздушными камерами

• ломаная конфигурация несущей системы «задний треугольник — рама — вилка» для двухподвесов или «рама — вилка» для хардтейлов не оптимальна по жесткости и управляемости. Установка на «телескоп» труб большего диаметра увеличивает торсионную (крутильную) жесткость и продольную прочность и жесткость вилки. Это хорошо, но возрастает общая масса вилки, площадь трения между трубами и неподрессоренная масса, что ухудшает чувствительность и качество амортизации. К тому же «клевок» рулем вниз при торможении — далеко не всегда благо, особенно на спуске, где он увеличивает вероятность свободного полета «без руля и без ветрил». Многорычажная подвеска, появившаяся исторически первой еще вХ1Х-м веке, остается сейчас экзотикой не только из-за конструктивных особенностей,

№

эластомеры эластомер повышенной

средней жесткости жесткости

алюминии

т. пластиковые

сталь

алюминиевый штырь направляющие

п резинки

, Х.,А,. /т г—

ИМ П1ЩІІ ШАШАО~Е1 л ‘жптттууттт~ т—і

і:.: -:-:-:-.:-: :■ -• ■■ ^ ч~ а:::::г-у,’рр^-уг-;.у, у|^

сальник

шток

пружины

узел регулировки

фиксирующее кольцо |

Рис. 3.84. Конструкция эластомерно-пружинной вилки Marzocchi Zokes Pro.

вполне преодолимых, но и «благодаря» отработанной технологии специализированных фирм, ориентированных на «телескопы». Исторически сложилось так, что в ХХ-м веке первенство в применении и развитии амортизации захватили мотоциклы, а велосипеды плелись в арьергарде. В 40-50-х годах, когда мотопромышленность в массовом порядке перешла к производству «телескопов», многорычажные вилки еще применялись на мопедах, мотороллерах и велосипедах. Первые вилки, появившиеся на МТВ в конце 80-х годов, заказывались на заводах, выпускавших подвески для мотоциклов. Их главной и основной продукцией были «телескопы», М’ГБ-вилки делались по образцу и подобию мотоциклетных. В 90-х годах в эпоху бума велоамортизаторов многие специализированные фирмы стали выпускать вилки и для велосипедов. Например, RST, MARZOCCHI, HANEBRINK BICYKLES и т. д. Менять оборудование, внедрять другую технологию им было просто невыгодно.

І7ЄЗ «телескопа»

Вилки без «телескопа», рычажные, параллелограммные появились существенно раньше. Опыты с рычажными вилками на велосипедах проводились еще с конца Х1Х-го века. Например, известен патент 1939 года фирмы Shwinn на велосипед «балунер» с шинами 26×2,125” и парал- лелограммной пружинной вилкой. Такие велосипеды не только широко выпускались в Америке 30-80-х годов, но и теперь выпускаются в разных странах. В 70-х годах «балунеры» стали основой для создания первых гор­ных велосипедов. На круизеры и велочопперы ставят вилку типа Shwinn

или более «крутую» внешне вилку Springer. Или вилку Roadster Dyno от NIRVE SPORTS, известного велодизайнера Аарона Бефленфэльфи. Известны и другие варианты пружинных передних вилок, например, Shockmaster 1952 года, производимая в США фирмой CLEVELAND WELDING СО для своих велосипедов Roadmaster.

Короткорычажные вилки менее склоны «клевать» при торможе­нии, чем «телескопы», но имеют недостаточную чувствительность при отработке мелких неровностей, что несколько компенсируют установкой промышленных шарикоподшипников. Они просты по конструкции, срав­нительно дешевы, имеют малую неподрессоренную массу и небольшой, момент инерции.

Длиннорычажные вилки не получили широкого распространения, несмотря на лучшую чувствительность при срабатывании и отсутствие «клевка», по сравнению с короткорычажными и телескопическими вил­ками. Их главными недостатками являются большая инерция и ограни­ченный угол при повороте руля, а также низкая крутильная (торсионная) жесткость.

Параллелограммные вилки типа Shwinn получили самое большое распространение. Два рычага параллелограмма (серьги) соединены с рулевой колонкой. Между ними находится коническая пружина с про­грессивной характеристикой и резиновый буфер. Чуть ниже, где рычаг (серьга) соединяется с рулевой трубой, может находиться фрикционный демпфер. Недостатки таких вилок — большие неподрессоренные массы и вредные моменты инерции. Достоинства — «антиклевковый» эффект и хорошая торсионная жесткость.

Вилка Springer — это, по сути, гибрид, полученный от «скрещивания» короткорычажной вилки и вилки типа Shwinn. Любители круизеров, чопперов и велотрайков ставят Springer чаще всего из эстетических соображений.

Короткорычажные вилки современной конструкции выпускаются небольшими сериями и стоят недешево. Это кросс-кантрийные Look LFS2 с весом 1475 гр, ходом 80 мм, у них карбоновые ноги, фрезерованные алюминиевые части, промышленные шарикоподшипники, воздушная пружина, масляный демпфер; SUB (Stability Under Braking) английской фирмы USE (Ultimate Sports Engineering) имеет ход 100 мм, вес около 1700 гр; Harrycat Vorace XC-Comp — вес 1722 гр, ход 80-100 мм, имеет карбоновые ноги, фрезерованные алюминиевые части, промышленные шарикоподшипники, воздушную пружину (позитивную и негативную), масляный демпфер, амортизирующий элемент — стандартный задний амортизатор SID Race, что весьма удобно. Или, например, фрирайдная Parafork Free Cross — вес 2500 гр, ход 120-150 мм, фрезерованные алюми­ниевые ноги, вставная ось, крепления под дисковый и ободной тормоза, стальные пружины, масляный демпфер.

Жесткость и прочность — весьма важные характеристики вилки. Они взаимосвязаны и характеризуют вилку с разных сторон, причем к амортизации не имеют прямого отношения, хотя определения использу­ются те же самые: «жесткость», «мягкость», «плюшевая вилка». Поэтому всегда имеет смысл уточнять, что именно имеется в виду. Прочность говорит о максимальной нагрузке, при которой вилка хрустнет, лома­ясь, или необратимо согнется. Жесткость — это обратимая деформация, угол изгиба или скручивания при определенной приложенной нагрузке (моменте силы). Нагрузку убрали — деформация исчезла. Обозначается как момент/градус — Н/м/градус. Чем больше надо приложить момент (ньютонов на метр) для скручивания/изгиба на 1 градус, тем больше жесткость. Для определения прочности «изверги-конструкторы» ломают вилки на испытательных стендах — «об колено» не получается. Дело это дорогостоящее, сложное и не слишком информативное для большинства байкеров. Уровень прочности вполне задается классом вилки. Кросс — кантрийная «пушинка», разумеется, уступает по прочности вилкам для жесткого фрирайда или скоростного спуска. Но и здесь случаются парадоксы. Иная старая эластомерка со стальными трубами и короной, фрезерованными алюминиевыми штанами вполне может поспорить по прочности с современной фрирайдной вилкой среднего уровня, если забыть про «убойный» вес и малый ход. Но зато по жесткости проиграет вчистую! А жесткость для байкера имеет первостепенное значение. Из всех возможных вариантов жесткости такой сложной конструкции, как вилка, стоит выбрать два: жесткость вилки в продольной плоскости байка (продольная жесткость) и жесткость на скручивание (торсионная жесткость). Недостаточная продольная жесткость приводит к тому, что вилка «играет», ходит взад-вперед ходуном, и не создает необходимого комфорта и уверенности во время поездки. Кроме того, уплотнительные и направляющие кольца внутри вилки перегружаются и очень быстро изнашиваются. Поэтому, если стиль катания агрессивный, или вело­сипедист весит более 100 кг, то и вилку имеет смысл подбирать более жесткую, например, вместо кросс-кантийной поставить фрирайдную. Но наибольший интерес представляет именно торсионная жесткость вилки. При скоростном прохождении виража возникают нагрузки, скручиваю­щие вилку. Руль поворачивается в одну сторону, а сила трения стремится повернуть колесо в другую. Если торсионная жесткость вилки мала, то байк плохо слушается руля, и заехать можно прямо в кусты. При тормо­жении дисковым тормозом создается несимметричная нагрузка, вилка и колесо перекашиваются, ухудшается управление байком, и может начаться занос переднего колеса. Не на всякую вилку можно ставить дисковый тормоз. Если торсионная жесткость вилки менее 15 Н/м/гра­дус, то она не рассчитана на работу с дисковым тормозом. У большинства современных вилок торсионная жесткость составляет 16-27 Н/м/градус.

Фирмы, выпускающие вилки, прилагают большие усилия для повыше­ния жесткости, иногда даже жертвуют весом, который долгие годы был «священной коровой».

Способы повышения жесткости вилок.

1. Двухкоронные вилки. Давний и имеющий много недостатков способ: воз­растает вес, ограничивается угол поворота руля, возрастает риск отрыва рулевого стакана рамы. Сейчас две короны ставят только у даунхильных монстров с очень большими ходами.

2. Вставная 20-миллиметровая ось увеличивает жесткость вилки в среднем на 20%. Но требуется специальная втулка для переднего колеса и монтаж/ демонтаж колеса сильно усложняется.

3. Технология Revers Arsh (RA) — расположение гориллы (бустера) сзади — при­меняется на вилках MANIT0U. Жесткость возрастает на 15%-20%.

4. Увеличение высоты направляющих втулок для внутренних труб у вилок ROCK SH0X.

5. Изготовление гориллы и штанов вилки как единой цельнолитой (моноко — ковой) конструкции, оптимизация формы гориллы. В результате жесткость растет, а вес может даже несколько снижаться. Но при повреждении гориллы нет возможности отремонтировать вилку, приходится менять весь нижний блок или покупать новую вилку.

6. Установка дополнительного бустера (гориллы) параллельно основному уменьшает нагрузку на штатную гориллу, улучшает эффективность работы ободного тормоза, увеличивает строительную высоту вилки и немного уве­личивает торсионную жесткость.

7. Увеличение диаметра ног (стоек) вилки: размеры в 32 и 36 мм уже остались позади, дальше начинаются мотоциклетные размеры.

8. Увел ичение диаметра рулевой трубы до 1S" (1,5 дюйма): новый стандарт помо­гает делать достаточно жесткие однокоронки с ходом до 150 мм.

9. Использование перевернутых вилок, которые имеют меньшую неподрессо — ренной массу, больший ход (150-200 мм), при одинаковой длине с прямыми вилками могут обходиться без бустера (гориллы), им хватает одной кованой короны. Вместе со вставной осью диаметром 20 мм дают вполне приличную жесткость при большом ходе. Но у перевернутых вилок есть некоторые не­достатки: высокая цена, большой вес, совместимость только с дисковыми тормозами, уязвимость внутренних труб и сальников (их надо защищать спе­циальными щитками), обязательное использование вставной 20-мм оси.

О двух вилках стоит упомянуть отдельно. Уникальна одноногая CANNONDALE Headshok Lefty Carbon ELO. CANNONDALE, пожалуй, единственный производитель велосипедов, который сам делает вилки. Вес этого чуда — 1480 гр, ход — 91 мм, она перевернутая, имеет две полукороны, карбоново-алюминиевые штаны, специальную ось для крепления колеса и оригинальный узел скольжения ноги в «штанах»; ее рулевая труба под стандарт CANNONDALE, диаметром 1,56 дюйма, установлены воздуш­ная позитивная камера и масляный демпфер. Добавлены регулировка давления воздуха и электронная блокировка с кнопкой на руле.

Headshok Super Fatty Ultra CANNONDALE отличается от преды­дущей тем, что вся начинка встроена внутри рулевой колонки, отсюда и «сверхразмер» внешней рулевой трубы. Вверх и вниз двигается внут­ренняя подвижная восьмигранная труба, в которую вставлена передняя вилка. Четыре грани этой трубы находятся в контакте с плоскими иголь­чатыми подшипниками, расположенными между внутренней подвижной и внешней неподвижной рулевыми трубами. Таким образом, благодаря одному компактному узлу можно одновременно управлять передним колесом и позволять вилке двигаться и отрабатывать рельеф дороги.