Телескопическая вилка - наиболее широко применяемая схема передней подвески. Оно состоит из двух "перьев* или "стоек" вилки, зажатых в траверсах управления (мостиках).
Траверсы являются частью системы рулевого управления. Ось колеса проходит через нижнюю часть обоих перьев вилки, а колесо располагается между ними.
Конструкция вилки[]
У стандартной вилки верхние (неподвижные) трубы зажаты в траверсах. На неподвижной трубе плотно устанавливается нижняя (подвижная) труба вилки (или подвижный наконечник), нередко отливаемая из легких сплавов. Часто между неподвижной и подвижной трубами устанавливаются сменные втулки. Внутри каждой стойки располагается цилиндрическая пружина, позволяющая подвижной трубе перемещаться по неподвижной. Для предотвращения бесконтрольного раскачивания вилки применяется различного рода демпфирование.
В качестве передней подвески телескопическая вилка достаточно хорошо справляется со своими обязанностями. Она обеспечивает достаточную величину хода, относительно небольшую неподрессоренную массу (НМ), или вращательную инерцию и в теории допускает неограниченный угол поворота рулевой колонки, который на практике ограничивается другими факторами (в первую очередь, рулем)].
Главный недостаток заключается в невысокой жесткости - вилка обладает достаточной степенью гибкости, которая в небольшом количестве полезна, а излишняя гибкость нежелательна. Для повышения жесткости применяется "усиливающий кронштейн" вилки (траверса подвижных наконечников) - металлический кронштейн, устанавливаемый между верхними частями подвижных труб вилки.
Одним из важнейших условий, определяющих качество работы телескопической вилки, является трение между ее трубами. Сейчас на большинстве вилок между двумя трубами для уменьшения статического трения (начальное сопротивление между деталями до начала их движения), устанавливаются сменные втулки из низкофрикционного материала, содержащего PTFE (тефлон). Втулки изготавливаются из материала, похожего на материал вкладышей коренных и шатунных подшипников, и, конечно, они работают в масле. Одна втулка располагается в верхней части внешней трубы (а в вилках перевернутого типа - в нижней), и по ней перемешается внутренняя труба. Другая втулка располагается в нижней части внутренней трубы (в вилках перевернутого типа - в верхней), которая вместе с ней перемещается вверх и вниз внутри внешней. Конструкция большинства вилок схожа, отличается только устройством амортизатора и возможностями регулировки.
Телескопическая вилка перевернутого типа[]
Вилка перевернутого типа • отступление от стандартной конструкции вилки. В принципе, это стандартная вилка, перевернутая вверх ногами так, что большая по диаметру труба, которая до этого была подвижной, становится неподвижной и зажимается в траверсах, а внутренняя труба, которая до этого была неподвижной, располагается внизу, к ней крепится колесо, и она выполняет функцию подвижного наконечника.
Перевернутые вилки жестче традиционных, хотя это преимущество зависит от многих других факторов: рамы, геометрии рулевого управления, непосредственно мотоцикла и его предназначения, а прежде всего - от предпочтений водителя. Единственный недостаток вилок перевернутой конструкции заключается в небольшом увеличении неподрессоренных масс из-за того, что более тяжелая стальная труба располагается внизу, а внешняя более легкая легкосплавная труба располагается наверху. Однако подвижные трубы передней вилки, покрытые нитридом титана, сегодня вполне типичны для спортивных мотоциклов. Вилки мопедов и скутеров в основном проще тех, что устанавливаются на мотоциклы, главным образом выбор вилки основывается на ее стоимости. Из-за более низких скоростей вполне достаточно простой подвески, часто даже без амортизации. Мопеды и скутеры больших размеров оснащаются упрошенной телескопической вилкой, у которой две верхних трубы в сборе с нижней траверсой и трубой рулевой колонки представляют собой единую конструкцию. Нижние трубы меньшего диаметра присоединяются к пружинам и устанавливаются внутри верхних труб. Для предотвращения шума пружины покрываются толстым слоем смазки, но гидравлические амортизаторы обычно не используются. Для исключения "пробоя" в одном или двух перьях вилки устанавливается конический резиновый ограничитель.
Пружины[]
В идеальном варианте желательно наличие прогрессивной характеристики или повышающейся жесткости, то есть при небольших ударах вилка должна легко перемешаться, а при дальнейшем сжатии вилки сопротивление перемещению должно постепенно увеличиться, чтобы большие удары не вызывали "пробоя" вилки.
Пружины постоянного шага навивки[]
Витки стандартной цилиндрической пружины навиты равномерно, то есть расстояние между ними постоянно, это придает пружине постоянную жесткость. Преимуществом пружины постоянного шага является малые себестоимость и трудоемкость при изготовлении.
Несколько пружин[]
Некоторые производители учли этот аспект и объединили две различных пружины постоянного шага, расположив их одну над другой, иногда одну пружину навивали в два этапа для получения двух различных коэффициентов жесткости.
Первая пружина сжимается легко и служит для поглощения небольших неровностей и ударов, обеспечивая плавность поездки. По мере усиления ударов близлежащие витки первой пружины встречаются друг с другом и образуют собой твердый стержень. После этого в действие вступает вторая, более жесткая пружина, допускающая продолжительное поглощение больших неровностей. Трудоемкость и стоимость изготовления пружин по прежнему невысока, хотя стоимость самой подвески немного возрастает. Обычно несколько пружин используются в задней подвеске.
Пружины с прогрессивной характеристикой[]
В качестве альтернативы можно использовать одну пружину, навитую таким образом, чтобы шаг ее витков постепенно возрастал от одного конца к другому. Витки пружины такого типа последовательно соприкасаются, по мере сжатия пружины обеспечивая настоящую прогрессивную характеристику Пружины с переменным шагом навивки сейчас используются на многих машинах и обеспечивают комфортабельность при езде как по нормальным дорогам, так и по дорогам с большими выбоинами. Проблема заключается в том. что такие пружины являются наиболее дорогими и трудоемкими при точном изготовлении.
Лучший способ достижения прогрессивной характеристики подвески, обеспечивающий реальный рост жесткости, заключается в применении стандартной пружины постоянного шага, соединенной с колесом рычажным механизмом, изменяющим усилие пружины при сжатии подвески. Такая схема широко используется в задней подвеске, но пока не нашла применения в передней.
Демпфирование (амортизация)[]
При наезде мотоцикла на неровность дорожного полотна энергия ударе поглощается за счет сжатия пружин. Естественно, пружина стремится немедленно передать эту энергию подрессоренном массам машины. Амортизацией называют управление скоростью реагирования пружины. Отсутствие амортизации в подвеске привело бы к безудержному раскачиванию мотоцикла при движении по ряду следующих друг за другом неровностей.
Фрикционные амортизаторы широко использовались на ранних машинах и по-прежнему применяются на ряде скутеров. Проблема, связанная с фрикционным амортизатором, заключается в том. что он обеспечивает максимальное сопротивление до начала перемещения, а по мере роста скорости перемещения степень демпфирования снижается. Кроме того, фрикционные элементы очень быстро изнашиваются. Простейший амортизатор скутера состоит из поршня и кольца, перемещающихся по трубе вилки с сопротивлением, достаточным для создания необходимого трения.
В основе стандартного масляного демпфирующего устройства лежит клапан или отверстие определенного диаметра в нижней части трубы вилки, заполненной маслом. При перемещении подвижной трубы вверх масло вынуждено вытекать через клапан или сверление в трубу. Когда же труба движется вниз, масло оказывает сопротивление перемещению подвески. Таким образом предотвращаются поползновения пружин «раскачать этот мир» в масштабе отдельно взятого байка.
Для комфорта райдера лучше всего, если колесо может свободно перемещаться, реагируя на неровности полотна. Однако инженерам приходится думать не только о комфорте – необходим демпфирующий эффект для улучшения управляемости. Кроме того, степень демпфирования должна зависеть от скорости сжатия и растяжения вилки – поэтому клапан в вилке далеко не один, используются различные отверстия. При достижении некоторого предельного давления масла из-за высокой скорости сжатия или растяжения (большие колдобины наших дорог к вашим услугам) используются дополнительные клапана. Амортизация достигается за счет применения поршневого амортизатора или картриджного демпфера – оба закрепляются болтами к основанию подвижной трубы вилки и располагаются в полости для масла.
Теперь подробнее о каждой схеме.
Чаще всего используется вилка с поршневым амортизатором. Поршень представляет собой трубу с отверстиями, расположенную в масле. В верхней части сечение поршня больше, на нем располагается уплотнительное кольцо, которое опирается на внутреннюю стенку трубы вилки. При перемещении подвижной трубы вилки вверх или вниз поршень амортизатора вынуждает масло перетекать через различные отверстия. В основании трубы вилки располагается обратный клапан, который позволяет маслу перетекать при сжатии вилки, а при растяжении закрывается и исключает перетекание. За счет этого достигаются необходимые характеристики демпфирования, обеспечивающие комфорт при сжатии вилки и управление при растяжении.
Принцип действия вилки картриджного типа также основывается на перетекании масла через дросселирующие клапана, но картриджный демпфер отличается наличием на конце штока поршня множества отверстий. Шток выходит из картриджа и прикрепляется к верхней части вилки таким образом, чтобы при сжатии или растяжении вилки поршень мог перемещаться внутри картриджа. Клапана, демпфирующие сжатие, находятся в основании картриджа. Клапана, демпфирующие отбой (обратный ход при растяжении), располагаются на поршне. При сжатии вилки клапана отбоя закрываются, и поршень вытесняет масло через клапана сжатия. При растяжении вилки клапана отбоя открываются и впускают масло.
Клапана состоят из низкоскоростных и высокоскоростных масляных каналов (когда говорят о подвеске, имеется в виду скорость сжатия-растяжения, а не скорость движения мотоцикла). Низкоскоростные каналы могут иметь фиксированное сечение – следовательно, обеспечивать демпфирование с постоянным сопротивлением, или выполняться регулируемыми. Такие каналы предназначены обеспечивать поглощение небольших неровностей дороги. Средне- и высокоскоростные масляные каналы начинают действовать при возрастании давления из-за повышения скорости перемещения. Они предназначены для поглощения больших неровностей полотна. Управление перемещением со средней и высокой скоростью осуществляется при помощи пакета пластин различного диаметра и толщины, уложенных друг на друга и перекрывающих отверстия, через которые проходит масло. При средней скорости перемещения, вызванного небольшими неровностями дороги, тонкая пластина большого диаметра легко прогибается под давлением жидкости и обеспечивает ее перетекание, но величина прогиба ограничивается пластинами большей толщины и меньшего диаметра. Перемещение с высокой скоростью (например, когда байк наезжает на поребрик трека или колесо проваливается в выбоину) создаст дополнительное давление, в результате чего прогнуться пластины меньшего диаметра и большей толщины, и увеличится объем масла, проходящего через отверстия.
Тонкая настройка «телескопа» картриджного типа заключается в подборе количества и диаметра отверстий в поршне и количества и размера пластин. На гоночных байках регулировать такую вилку гораздо проще, поскольку условия и нагрузки известны заранее и имеют не слишком широкий диапазон.
Картриджная вилка обеспечивает лучшее качество демпфирования по сравнению с поршневым амортизатором – в основном потому, что процессы сжатия и отбоя разделены за счет использования разных клапанов. Другое преимущество «картриджа» - на его работу не влияют пузырьки воздуха, которые попадают в масло при сжатии и растяжении вилки. Просто потому, что они не попадают в механизм, как это случается в поршневых амортизаторах. Главный недостаток «картриджа» заключается в повышенном износе – внутренняя поверхность алюминиевой внешней трубы анодируется для предотвращения износа при перемещении по ней втулок внутренней трубы. Но у анодированной поверхности не гладкая структура, поэтому она изнашивает втулку, сдирая с нее частицы тефлона, которые затем попадают в масло. В картриджных вилках скорость перетекания масла очень высокая, поэтому эффективность работы вилки сильно зависит от изменения свойств амортизационной жидкости. По мере ее загрязнения увеличивается скорость износа и повышается вероятность попадания в пакеты пластин различных частиц. Тут каждый производитель выкручивается как может: например, Yamaha на своем R1 устанавливает втулки в наружной трубе так, чтобы по ним перемещались внутренние трубы, покрытые хромом, а не наружные трубы из анодированного алюминия.
Последняя разработка в сфере телескопических вилок – технология «Большого поршня» (BPF, Big Piston Fork) от японцев из Showa. Объем масла в такой вилке больше, давление, соответственно, меньше, что означает меньшую скорость перемещения масла. Наилучшим образом это влияет на низкоскоростное демпфирование, иными словами – при сильном торможении байк менее склонен к «клевку носом». Кроме того, упрощение конструкции облегчает вилку и уменьшает НМ.
Пневматические и пневмомеханические вилки[]
Пневматические вилки[]
Пространство внутри вилки заполняется воздухом под давлением, заменяющим цилиндрическую пружину. Воздух - превосходная упругая среда, обладающая прогрессивной характеристикой, которая идеально подходит для использования в подвеске.
Несмотря на то, что пневматические вилки использовались на мотоциклах, главный их недостаток заключается в том. что для обеспечения нормальной работы им необходимо воздухонепроницаемое уплотнение. При доступном на данный момент уровне технологии уплотнений и материалов пневматические вилки практически не могут применяться для мотоциклов.
Пневмомеханические вилки[]
В пневмомеханических вилках начальная упругость обеспечивается традиционными цилиндрическими пружинами постоянного шага. Кроме того, вилки оснащаются пневматическими вентилями (обычно встроенными в верхнюю резьбовую пробку) и нередко объединяются шлангом для поддержания одинакового давления в каждом пере вилки. При такой комбинации упругих элементов обеспечивается преимущество использования упругости воздуха, но, поскольку давление воздуха намного ниже, чем в пневматической вилке, повреждение уплотнений менее вероятно. Если уплотнение все же повреждается, вилку можно продолжать эксплуатировать, используя только усилие пружин.
Существует распространенное мнение, что пневматические вилки обеспечивают регулируемое демпфирование. Несмотря на то, что наличие давления воздуха в вилке в некоторой мере влияет на демпфирование, воздух сам по себе представляет плохую среду для демпфирования. Это связано с тем, что он легко сжимается, и именно поэтому он обладает такой хорошей упругостью. Демпфирующий эффект по прежнему обеспечивается за счет нагнетания масла через дросселирующее устройство, а степень демпфирования можно регулировать, изменяя его пропускную способность.
Регулировке предварительного поджатия пружин и демпфирования[]
Многие вилки оснащаются регулировкой, предоставляющей возможность настройки вилки под всевозможные условия эксплуатации. Необходимость регулировки подчеркивает тот факт, что вилка может работать наилучшим образом только при строго определенных нагрузках и типах поверхности.
Предварительное поджатие пружины[]
Предварительное поджатие пружины - это степень сжатия пружины, заложенная при сборке вилки, присутствующая до нагружения вилки под влиянием неровностей дорожного полотна, Регулировка предварительного поджатия позволяет водителю изменить эффективную длину пружины (за счет поджатия ее в вилке) в зависимости от нагрузки, поверхности дороги и стиля вождения. Механизм обычно представляет собой регулятор, находящийся в непосредственном контакта с верхней частью пружины, который может перемещаться в пробке пера вилки при помощи традиционной резьбы или кулачкового устройства.
Существует распространенное заблуждение, что изменением предварительного поджатия можно добиться изменения жесткости подвески, но на самом деле это не так. При увеличении предварительного поджатия мотоцикл будет меньше проседать, когда на него садятся, но величина упругости пружины при ее сокращении будет той же самой, что и при меньшем предварительном поджатии, но большем сокращении пружины. Таким образом, изменяется только величине сокращения, следовательно, "дорожный просвет" машины. Лучший способ продемонстрировать это заключается в следующем: надо увеличить предварительное поджатие, когда мотоцикл находится на подставке, и наблюдать, как растягивается вилка, увеличивая дорожный просвет. Изменение дорожного просвета влияет на многие показатели, включая геометрию рулевого управления (наклон и вылет вилки) и расположение центра тяжести. В свою очередь, это существенно влияет на управление и силы сцепления с дорогой.
Амортизация (демпфирование][]
Регулировкой демпфирования объема перетекающей жидкости за счет изменения пропускного сечения отверстий, через которые она дросселируется. Встроенной регулировкой оснащаются только вилки картриджного типа, хотя стандартные поршневые амортизаторы тоже можно "настроить", увеличив размер отверстий. Регулировка демпфирования может осуществляться одним или двумя способами, при сжатии вилки и при растяжении, или отбое.
Управление демпфированием отбоя обычно осуществляется при помощи регулятора, расположенного вверху каждого пара вилки. При вращении регулятора он либо перемешает иглу в масляном канале, либо поворачивает цилиндр для совмещения отверстий различного диаметра с масляным каналом. При увеличении или уменьшении расхода масла через масляный канал пропорционально ему изменяется демпфирование. Управление демпфированием сжатия осуществляется аналогичным образом, но регулятор обычно располагается внизу подвижной трубы вилки. Вилки ряда конструктивных схем оснащаются регулировкой демпфирования отбоя на одном пере вилке, а регулировкой демпфирования сжатия - на другом.
В наиболее сложных вилках все три регулятора (предварительного поджатия пружины, демпфирования отбоя и сжатия)часто встречаются вместе и обеспечивают широкий диапазон возможных комбинаций регулировки. На других вилках может присутствовать один или два регулятора из трех возможных, в зависимости от потребностей машины и ее предназначения. Характеристику нерегулируемых вилок можно регулировать изменением количества и вязкости амортизаторной жидкости, установкой пружин различной жесткости, установкой прокладок над пружиной, а характеристики демпфирования можно менять за счет увеличения дросселирующих отверстий или замены пакета пластин.
Антиклевковые системы[]
Антиклевковая система обеспечивает управление одним из наиболее нежелательных свойств всех телескопического вилок - связанным с клевком передней подвески из-за эффекта перераспределения масс при торможении. Поскольку при клевке сильно уменьшается ход подвески, передняя подвеска фактически не работает до тех пор, пока не прекратится торможение. Проблем, связанных с клевком, можно полностью избежать. использовав подвеску альтернативных конструкций, но в случае телескопической вилки ничего невозможно сделать.
Антиклевковые системы, которыми управляет передний тормоз, обеспечивают автоматическое регулирование демпфирования. Разные производители используют различные принципы действия, но большинство систем содержит схожие основные элементы. При движении машины перемещение амортиэаторной жидкости через антиклевковую систему почти не ограничивается. При торможении передним тормозом пропускная способность клапана, расположенного внутри антиблокировочного устройства, уменьшается. Управление пропускной способностью может осуществляться: гидравлически от тормозной системы, механически при помощи реактивной тяги от суппорта или электрически при помощи соленоида, включенного в цепь тормозного сигнала. Кроме того, существовали полностью механические системы, увеличивающие поджатие пружин вилки, и гидравлические системы, в которых применялся отдельный рабочий цилиндр, сжимающий пружину вилки.
При срабатывании антиклевковой системы демпфирующий эффект резко увеличивается, и вилка может сжиматься только очень медленно. При наезде на крупную выбоину на мгновение открывается небольшой мембранный клапан, обеспечивающий нормальное перемещение вилки, следовательно, подвеска не блокируется системой. Большинство систем допускает возможность регулировки, чтобы можно было настраивать эффект антиклевкового устройства в соответствии с конкретными требованиями. Все антиклевковые системы не устраняют, а только ограничивают и управляют клевком передней части мотоцикла при торможении. Само по себе явление клевка нельзя назвать отрицательным, так как перераспределение массы означает увеличение коэффициента сцепления передней шины, поскольку она с усилием прижимается к дороге. Использование антиклевковой системы позволяет применять менее жесткие и более чувствительные пружины и амортизаторы.
В действительности антиклевковые системы возникли из-за неэффективной амортизации телескопических вилок. На сегодня описанные усовершенствования конструкции вилок устранили необходимость применения актиклевковых систем.
Недостатки вилок телескопического типа[]
Несмотря на широкое использование телескопических вилок, они обладают многими недостатками:
- Отсутствует разделение сил, воздействующих на телескопическую вилку (при торможении, работе подвески, управлении). Все силы передаются по всем узлам передней подвески мотоцикла, поэтому необходимо изготавливать их более прочными, а, следовательно, более тяжелыми по сравнению с конструкцией, в которой эти силы действуют по отдельности.
- Геометрия управления (угол наклона и вылет] изменяется при сжатии вилки вследствие изменения колесной базы.
- Очень большое расстояние между осью колеса и рулевой колонкой приводит к изгибу вилки под нагрузкой. Для компенсации этого явления необходимо придать вилке и элементам рулевого управления дополнительную жесткость, что приводит к их утяжелению.
- Путь распределения нагрузки длинный и не прямой. Это означает, что рама должна быть больше и тяжелее, чем если бы этот путь пролегал по прямой между двумя осями колес.