Поговорим о скелете гоночного мотоцикла – раме и подвеске. Чтобы разобраться во всех тонкостях, сначала сравним шасси мотоцикла и автомобиля. Упрощенно автомобиль можно представить, как жесткое шасси с четырьмя независимыми подвесками (работу поперечного стабилизатора не учитываем, т.к. он лишь в малой степени связывает работу подвески). Независимо от того, тормозим мы, или разгоняемся, геометрия шасси не меняется, а колеса практически независимо отрабатывают неровности дороги. Более того, неподрессоренная масса и гироскопический эффект колес ничтожно малы по сравнению с массой и моментом автомобиля в целом. И последнее. Посадка водителя никак не влияет на поведение автомобиля. С мотоциклами все гораздо сложнее.
Рама супербайка Ducati 999 усилена по сравнению с оригинальной дорожной
При жестком торможении практически весь вес мотоцикла переносится на переднее колесо. Из-за этого вилка сжимается почти до конца рабочего хода, что приводит к колоссальным изменениям геометрии шасси. Уменьшается база, изменяется угол вилки и вылет. Примерно то же происходит и при ускорении. Отличие лишь в том, что сжимается моноамортизатор. Так что, по сути, на геометрию шасси мотоцикла влияет практически все. Но это еще цветочки.
Потертости на узле регулировки свидетельствуют о многочисленных изменениях настроек
Ягодки начинаются в повороте. Пока мотоцикл едет вертикально, пятна контакта переднего и заднего колес находятся на одной прямой и в одной плоскости с центром масс. Но в наклонном положении это уже не так. Пятна контакта «уходят» от вертикальной оси мотоцикла, причем, чем сильнее наклон и шире резина – тем дальше! Возникшие асимметричные силы (ширина покрышек-то разная!) в буквальном смысле скручивают мотоцикл, а центробежная сила сжимает вилку и моноамортизатор почти до конца. Огромное напряжение передается на раму, и ей теперь приходится противостоять не только скручиванию, но и изгибу.
Завершает картину сам пилот, который, в отличие от водителя автомобиля, имеет огромное влияние на положение центра масс мотоцикла и, изменяя посадку, способен значительно менять его поведение. Добавьте к этому гироскопические моменты колес, сравнимые по величине с моментом самого мотоцикла, большую (по отношению к массе байка) неподрессоренную массу и эффект руления наоборот (контрруление), и даже эта сильно упрощенная картина оказывается во много раз сложнее той, что возникает в автомобилях.
Лаборатория Ohlins расположилась в большом грузовике
Еще больше усугубляет сложность то, что в отличие от шасси авто (которое обычно делают максимально жестким) рама мотоцикла должна иметь нормированную жесткость, и вот почему. Еще раз представим себе мотоцикл в наклоненном положении. Если скорость прохождения поворота достаточно велика, то может возникнуть ситуация, когда и передняя, и задняя подвески под воздействием центробежной силы сожмутся на 100%. Если это произойдет, то любая маломальская кочка приведет к потере сцепления с дорогой и к заносу (или падению). Но даже если подвеска сжата не полностью, вектор силы, приложенной к колесу в повороте, направлен не точно в направлении сжатия подвески, а под определенным углом. С такими силами вилке и маятнику справиться трудно, ведь они рассчитаны на работу только в направлении своего хода. Поэтому жесткость рамы на изгиб можно увеличивать только до определенного предела, чтобы она играла роль своеобразной пружины и поглощала жесткие боковые нагрузки, с которыми не справилась подвеска. Более того, увеличение жесткости рамы часто влечет ее утяжеление. А избыточный вес, как известно, наш враг.
В дрэгрейсинге жесткость маятника не столь важна, как в кольцевых гонках
Последнее «против» чрезмерной жесткости – потеря информативности. Дело в том, что пилот чувствует, как мотоцикл держит дорогу при езде именно благодаря колебаниям, возникающим в нагруженном шасси. Если раму сделать излишне жесткой, то часть таких колебаний исчезнет или амплитуда их уменьшится, и гонщику будет труднее распознавать грань сцепления резины с асфальтом.
Демпфирование гоночной вилки Ohlins регулируется раздельно для высокой и низкой скоростей сжатия
С другой стороны, все мы прекрасно знаем, что происходит, если рама слишком гибкая. Портится управляемость, мотоцикл приобретает тенденцию к вобблингу, точное руление становится затруднительным. Вот и получается, что в отличие от автомобиля, где, чем жестче шасси, тем лучше, жесткость рамы мотоцикла должна соответствовать золотой середине.
Разобравшись с жесткостью, поговорим о том, из чего изготавливают рамы современных спортбайков. Глупый вопрос – конечно из алюминия! Он позволяет легче всего «программировать» гибкость/жесткость именно в те узлы рамы, где это нужно. Делается это путем точного расчета толщины стенок рамы, и ее увеличения или уменьшения с очень маленьким шагом (1мм или даже меньше). Второй материал, из которого изготавливают рамы – хром-молибденовая сталь. В отличие от рам из алюминия стальные рамы делают в основном трубчатыми (Ducati, Agusta, Benelli), а жесткость программируют различной конфигурацией «треугольников»*, сваренных из этих самых труб. Преимущество такого подхода – сравнительная простота изготовления. Варить стальные трубы гораздо проще, чем качественно отливать, а потом варить алюминий. Минус – труднее получать меньший вес, ведь сталь гораздо тяжелее алюминия.
Карбоновые рамы пока не прижились в мире мотогонок
Третий вариант – один из самых экзотичных. Рамы из карбона. Казалось бы, карбон – идеальный материал для таких применений. Действительно, в автогонках и особенно в F1 карбон очень хорошо себя зарекомендовал при изготовлении шасси-монококов. Но в мотоциклах, как показал опыт, это не так. Как мы помним, в автомобиле жесткость шасси должна быть максимально возможной – именно из-за этого карбоновые шасси так хорошо работают в F1. А вот получать нормированную с высокой точностью жесткость рамы из карбона очень сложно. Когда-то пилоты GP активно тестировали мотоциклы с карбоновыми рамами, но почти все они жаловались на малую информативность и трудности с чувством резины.
Угол вилки регулируется заменой регулировочных шайб
Второй минус карбона – полная неремонтопригодность. Карбон нельзя варить, клеить, паять или клепать. Поэтому в случае аварии карбоновая рама при повреждении попросту выбрасывалась. И третье, самое важное. Пилоты довольно часто просят изменить жесткость рамы (почему – узнаем чуть позже). Совершенно очевидно, что в отличие от алюминиевых и стальных рам, карбоновая конструкция этого не позволит.
Еще один «гвоздь», забитый в гроб карбоновых рам – очень плохая повторяемость их параметров. Даже рамы, изготовленные по одним и тем же чертежам на одном и том же оборудовании могут существенно различаться по жесткости. Из-за этой особенности поведение мотоциклов с рамами из карбона иногда получалось, мягко говоря, непредсказуемым.
Рама и маятник Ducati Desmosedici связаны друг с другом через двигатель
Последний вариант рамы – это когда ее вообще нет! Помните дорожные BMW, где несущим элементом является двигатель? Но и этот подход не прижился в мотогонках, причем по той же причине, что и карбоновые рамы: трудно получать расчетную жесткость. Частично его все же применяют, например, в Ducati Desmosedici маятник крепится не к раме, а напрямую к двигателю, а в некоторых дорожных мотоциклах мотор является нагруженной частью шасси**.
Маятник R1 усиливают для гоночного использования
Еще один интересный момент в беседе о рамах характерен для чемпионата SBK. Дело в том, что рамы дорожных мотоциклов в отличие от рожденных для трека «ферм» MotoGP далеко не всегда удовлетворяют потребностям пилотов. Жесткость рамы может оказаться недостаточной для противостояния гоночным нагрузкам, а геометрия – слишком стабильной, т.е. затрудняющей быстрое прохождение поворотов. Поэтому шасси мотоциклов, участвующих в WSB и BSB зачастую модифицируют – делают жестче и добавляют узлы регулировки. Жесткость рам повышают путем приваривания дополнительных алюминиевых деталей, а узлы регулировки геометрии шасси (если их не было у стокового байка) добавляют путем установки тюнинговых траверс и оси маятника. Гоночные траверсы позволяют изменять угол вилки и зачастую ее вынос путем замены или поворота специального эксцентрика. Положение оси маятника меняется в вертикальной и продольной плоскостях также с помощью эксцентрика и позволяет изменять базу и угол маятника.
В гонках на выносливость жесткость маятника часто уменьшают
О маятнике поговорим подробнее. Техрегламент чемпионата SBK позволяет использовать как модифицированные стоковые изделия, так и устанавливать разработанные «с чистого листа» тюнинговые. Первый вариант бюджетный и доступен почти каждому, а вот маятник от Harris или Spondon чувствительно облегчит кошелек покупателя. Сразу сделаю небольшое отступление на тему гонок на выносливость. Тут все традиционно – через «ж». В отличие от чемпионатов MotoGP и SBK в Endurance жесткость маятника не только не повышают – его уменьшают! Хуже того, маятник удлиняют!! Почему? Да потому, что управляемость в этом классе гоночной техники стоит на втором месте после комфорта пилота и удобства управления мотоциклом. Ведь ехать ему долгие часы. А усталость пилота замедляет мотоцикл гораздо сильнее, чем уменьшенная жесткость маятника.
Гоночный натяжитель цепи имеет больший диапазон регулировки и удобнее в работе
Еще одна особенность маятника мотоцикла для гонок на выносливость – устройство быстрой замены колеса*** – мечта любого спортбайкера. Оно позволяет менять заднее колесо за несколько секунд благодаря тому, что звездочка с цепью крепятся к маятнику и при снятии колеса остаются на месте. Регулировать натяжение цепи не надо, страдать с многочисленными и постоянно выпадающими втулками – тоже. Вечный кайф!
Регуляторы натяжения цепи и положения заднего колеса зачастую меняют на изделия Spondon, и не только в Endurance. Дело в том, что стоковые узлы делают бюджетными, из-за чего они зачастую не обеспечивают точность (помните, как настроенное точно по рискам колесо все равно смотрело в сторону?) и жесткую фиксацию оси колеса, когда механики затягиваю гайку (бывает, ось при этом сдвигается). Тюнинговые натяжители цепи как раз и призваны уберечь от этих неприятностей.
Демпфирование сжатия амортизаторов WP также регулируется для высокой и низкой скоростей движения подвески
Разобравшись (если в этом вообще можно разобраться!) с конструкцией шасси мотоцикла, займемся подвеской. Привычные нам вилка и моноамортизатор, оказывается, тоже скрывают интересные тайны. Во-первых, почему именно вилка? Ведь давно известны ее недостатки (повышенное внутренне трение под нагрузкой и влияние этой самой нагрузки на руление). Действительно, были попытки (и не столь безуспешные) создать переднюю подвеску, которая бы разделяла два процесса: собственно работу подвески и руление. Вспомним Paralever от BMW, Honda Elf с консольной передней подвеской, или даже эксклюзивный Virus. Но пилоты гоночных команд поочередно забраковали все эти технические чудеса в пользу традиционной вилки со всеми ее недостатками. В чем же секрет? Дело в чувстве переднего колеса. Только классическая вилка обеспечивает рукам пилота прямую связь с колесом и позволяет ощущать даже малейшие вибрации, создаваемые резиной при контакте с асфальтом. В остальных случаях многочисленные шарниры и сочленения маскируют эти вибрации и пилоту сложнее определить, какой уровень сцепления с дорогой имеется в его распоряжении.
Демпфирование сжатия регулируется раздельно для высокой и низкой скоростей движения подвески
Чем же отличаются «золотые» гоночные вилки от «столового серебра» дорожных собратьев? Прежде всего, точностью изготовления внутренних деталей и используемыми материалами (широко применяют анодированный алюминий и титан). Во-вторых, конструкция вилки иная. Функции демпфирования зачастую разделяют между перьями: одно отвечает за сжатие, другое – за отбой. Ну и конечно все мы помним, что многие гоночные вилки – газонаполненные. Это позволяет наполнять перья гидравлической жидкостью (она довольно далеко ушла от масла) практически до верха, что устраняет сложность подбора уровня и полностью исключает образование воздушных пузырей. Более того, в гидравлической жидкости, находящейся под давлением, меньше вероятность проявления такого физического явления, как кавитация.
Амортизаторы серии TTX36 используются как на гоночных, так и на дорожных мотоциклах
Если коротко, кавитация – процесс образования пузырей в жидкой среде перед быстро движущимся твердым телом. Наше тело – поршень, который движется под воздействием дорожных неровностей в гидравлической жидкости вилки. Если неровность и скорость движения велики, то скорость перемещения поршня в вилке тоже может оказаться очень большой. Результат – образование пузырей и «провал» поршня. Если же жидкость под давлением, то кавитация проявляется в меньшей степени. По этим же причинам задний моноамортизатор также делают газонаполненным.
Разобравшись с передней подвеской, коротко коснемся моноамортизатора. В отличие от вилки он не связан с маятником непосредственно, а воздействует на него через систему рычагов****. Это позволяет обеспечить задней подвеске прогрессивную характеристику при использовании амортизатора с линейной пружиной. Но в отличие от дорожных собратьев, в гоночных мотоциклах система рычагов обеспечивает более линейный характер. Причина – более гладкая поверхность треков. Еще один немаловажный момент, который связан с шасси мотоцикла – посадка пилота. Многие часто забывают и пренебрегают ролью пилота при управлении мотоциклом. Это ошибка. Если обеспечить правильную посадку рейсера во время гонки, то можно добиться увеличения сцепления резины с асфальтом даже на 20-30%. Исключение – гонки на выносливость. Здесь посадку регулируют в сторону комфорта. Причина, надеюсь, ясна.
Гоночная лаборатория Ohlins использует прибор для измерения жесткости пружин
Посадка характеризуется треугольником, вершины которого связаны с клипонами, седлом и подножками. Чем выше вершины, связанные с седлом и подножками, и ниже вершина, связанная с рулем, тем большая часть веса пилота перераспределяется вперед. И наоборот. Для регулировки посадки используют регулируемые клипоны и подножки.
На дорожной версии мотоцикла Foggy Petronas установлена дорожно-спортивная вилка Ohlins
Интересный нюанс. Гоночные клипоны делаются из двух частей: хомута и трубки (в отличие от дорожных, которые представляют собой единое целое). Это позволяет ремонтировать поврежденный при падении клипон без снятия перьев вилки. Что касается подножек, они часто изготавливаются с применением подшипников. Это позволяет убрать даже малейший люфт и помочь пилоту избежать «недовтыков». Кроме этого подножки в обязательном порядке должны быть жесткими (нескладывающимися). Это делается ради безопасности, частично защищает мотоцикл при падениях и лучше передает вибрации шасси ногам гонщика.
В заключение нашей высоконаучной беседы о шасси и подвесках гоночных мотоциклов хочется рассказать о трудностях, которые возникают с этими узлами. Многие из них (и варианты борьбы с ними) были описаны ранее, поэтому мы рассмотрим самую сложную разновидность: чаттер. Если коротко – это резонансные гармонические колебания, возникающие в шасси мотоцикла при полном наклоне и чаще всего на нейтральном газу. Частота колебаний лежит в диапазоне 18-23 герц, но обычно равна 20гц, т.е. 20 раз в секунду. А амплитуда этих колебаний порой бывает настолько велика, что у пилотов стучат зубы и расплывается зрение. В таких условиях, естественно, невозможно выжать из мотоцикла все до конца, и пилоты вынуждены сбрасывать газ. Или падать. Чтобы было легче понять это сложное физическое явление, можно упрощенно представить мотоцикл в виде камертона. Пока концы «вилки» не прикасаются ни к чему, он звучит, т.е. колеблется. Если же прикоснуться пальцем хотя бы к одному из концов камертона (тем более к обоим), то колебания быстро затухнут. Именно поэтому чаттер редко возникает при ускорении и торможении. Но мотоцикл – не камертон, а гораздо более сложная колебательная система.
Экспериментальный демпфер колебаний рамы тестировался командой Yamaha для борьбы с чаттером
Чаттер складывается из огромного числа колебаний: работы подвески, изгибов рамы, деформации резины, вибраций двигателя, колебаний облицовки, характера трассы и даже движений пилота. Если какие-то (какие – точно не известно) из них попадают в резонанс, может начаться чаттер. Поэтому с ним чудовищно сложно бороться. Его даже называют «призраком» современных гонок. В одном вираже он возникает «ниоткуда» и полностью парализует гонщика и мотоцикл. А в следующем повороте или на другой трассе также неожиданно исчезает. Единственное, что достоверно известно про него, это то, что он появляется только тогда, когда у резины есть хорошее сцепление с асфальтом. Именно поэтому чаттер не возникает в мокрых гонках и наоборот, свирепствует во время квалификации.
Однако гоночные команды все-таки накопили некоторые знания об этом «призраке» скорости. По результатам анализа огромного количества данных телеметрии и сопоставления с параметрами рам конструкторы пришли к заключению, что чаттер находится в определенной зависимости от баланса коэффициента сцепления резины с асфальтом и жесткости рамы. Если этот баланс нарушается, у мотоцикла начинаются приступы «эпилепсии». В остальном же чаттер остается непредсказуемым: появляется и исчезает без видимых причин и мало подчиняется настройкам шасси.
Автор Антон Барсуков, фото автора и производителей.
Маятник Yamaha M1 обладает очень высокой жесткостью в плоскости работы подвески В гоночных вилках демпфирование сжатия регулируется жесткостью стальных пружинных шайб Положение маятника регулируется заменой втулок Элементы гоночной подвески качественнее и точнее дорожных аналогов Регулируемая траверса позволяет менять угол наклона вилки Огромные гоночные нагрузки – причина установки усиленных маятников Амортизаторы Showa используются гоночными командами наряду с Ohlins На гоночном мотоцикле Foggy Petronas установлена вилка с газовым резервуаром
* Как мы помним из сопромата, треугольник – самая жесткая фигура. ** Например, R1 1998г.в. *** Выпускает фирма Spondon Engineering. **** В задней подвеске Honda Pro-link моноамортизатор напрямую не связан с рамой.
