Устойчивость и управляемость мотоцикла: от чего зависят и как на них повлиять

Почему одни мотоциклы рулятся хорошо, а другие – не очень? Разбираем геометрию мотошасси: вынос, рейк, трейл, база (и другие незнакомые слова), затрагивая чуть больше, чем типичные интернет-копипасты, проще и без формул.

Почему мотоцикл не падает? «Потому что он либо едет, либо стоит на подножке, а когда едет, его курсовую устойчивость поддерживают два больших гироскопа (колеса), крутящихся в одном направлении. И чем быстрее он едет, тем точнее держит изначально заданный курс и положение! Физика - 7 класс! Этому же в школе учат, тут все понятно!» – ответит любой осведомленный мотоциклист и будет прав… на 12%. Или около того. От 10 до 12% влияния на устойчивость мотоцикла оказывает тот самый гироскопический эффект.

Остальное – заслуга правильно подобранной геометрии частей шасси: рамы, заднего маятника, а особенно передней вилки. От их формы, размеров и взаимного положения зависит, будет байк послушным и вертким, или устойчивым, как паровоз на рельсах. Изменив всего один параметр на 2-3 см, из двух мотоциклов одной и той же модели можно получить два совершенно разных по «характеру». Сейчас разберем, как это делается. Без нудных формул и вычерчивания векторов сил. Только принцип – как взаимосвязаны ключевые размеры мотошасси.

Рейк, трейл, кастер, база и центр тяжести – повторяем, что все это значит

Объяснять нужно от простого к сложному, поэтому сначала напомню (или объясню для тех, кто не знаком с терминологией), какие существуют важные параметры «геометрии» мотоцикла, и как они называются.

У каждого современного двухколесника с мотором, независимо от класса и кубатуры, есть те самые два «гироскопа», передняя (управляющая поворотом колеса) подвеска, задняя подвеска и «подвешенная» на них рама, жестко связывающая переднюю и заднюю часть.

Рамы могут быть любой формы и конструкции. Они могут быть из стали, алюминия, карбона. Они могут быть даже лишены маятника и задней подвески вообще (сухие).

Но у каждой рамы есть рулевая колонка – посадочное место под подшипники, на которых поворачивается передняя вилка.

Угол, под которым приварена труба рулевой колонки к раме, задает положение всей передней вилки: на сколько градусов она будет отклоняться от вертикали. Это первый из важных параметров: рейк.

Даже у мотоциклов с автомобильным (консольным) типом подвески переднего колеса есть своя рулевая колонка. Это «поворотный кулак» и его ось, также наклоненные под углом к вертикали. Меньшим, чем на мотоцикле, но тоже обязательным.

Рейк

Английское rake angle переводится как «угол наклона» или «грабли». Это старый мотоциклетный и кастомбилдерский термин. Более точно он определяется как угол наклона оси поворота рулевого колеса (он же – «вылет передней вилки»). Оперировать понятием «рейк» проще, согласитесь? Измеряется он тоже просто: одна прямая линия проводится вертикально через центр оси переднего колеса сверху вниз, пока не упрется в землю (пол, асфальт), вторая прямая проводится через центр рулевой колонки (там, где крутятся подшипники) сверху вниз, пока также не упрется в поверхность, на которой стоит мотоцикл. Верхний угол между этими двумя линиями и называется «рейк», (он же «кастер», который измеряют на авто в ходе регулировки развала-схождения).

Вертикальную линию, от которой отмеряют угол наклона (рейк), не обязательно брать от оси колеса. Можно даже «бросить» перпендикуляр вниз от самого центра рулевой колонки. Но «отбив» его от оси, мы сразу получим опорную точку для измерения остальных двух важных параметров: трейл и база мотоцикла.

Траверсный рейк (он же – экстра-рейк, он же у некоторых авторов – «вынос») – это угол наклона самих перьев вилки в траверсах, дающий дополнительное выдвижение колеса вперед относительно рулевой колонки или смещение его назад, ближе к ней. Чем больше траверсный рейк «отдаляет» колесо, тем сильнее он влияет на длину трейла. Неправильно подобранный траверсный рейк может серьезно ухудшить показатель управляемости (но об этом – позже).

Трейл

Трейл – тоже английское слово-определение, означающее «след от волочения», и это самая, пожалуй, близкая расшифровка того, что «делает» и как «работает» трейл в геометрии мотоцикла. Измеряется trail в миллиметрах или дюймах от точки, в которую «упал» перпендикуляр через ось переднего колеса, до точки пересечения с землей оси из центра рулевой колонки.

Чем больше трейл мотоцикла, тем меньше переднее колесо «гуляет» на кочках по прямой, тем ровнее держится на курсе, и тем большее усилие нужно приложить, чтобы повернуть его вправо-влево. Чем меньше трейл, тем резче переднее колесо реагирует на малейший поворот руля (или неровность на дороге!), тем меньшее усилие нужно прикладывать к рулю, чтобы повернуть, и тем меньше радиус поворота.

Чем больше трейл, тем больше устойчивость мотоцикла, чем меньше трейл, тем больше его маневренность. В свою очередь, длина трейла зависит от рейка: больше угол наклона вилки (если в траверсах он не меняется) – трейл потенциально длиннее; вилка стоит практически без наклона – трейл потенциально будет очень коротким.

Почему «потенциально»? Здесь нужно смотреть на конструкцию передней подвески. Параллелограммные, коротко- и длиннорычажные вилки-гердеры, торсионные и знаменитые БМВ-шные «Телелеверы» в ходе работы смещают колесо не строго параллельно оси своего наклона, не настолько критично влияя на длину базы мотоцикла. Их «поведение» включает еще несколько факторов, влияющих на управляемость. Описание, адаптированное к каждому из этих типов, будет громоздко, поэтому рассмотрим самые массовые и популярные сейчас конструкции – телескопические вилки. В них тоже есть нюанс:

База

Колесная база – расстояние между центрами пятна контакта переднего и заднего колеса с земной поверхностью. Для стокового мотоцикла ее проще всего узнать, заглянув в мануал, а фактически – измерить рулеткой, «кинув» перпендикуляр от центра каждой колесной оси до асфальта. Сила тяжести действует на технику строго вертикально, поэтому, независимо от класса мотоцикла, его рейка или типа подвески, середина пятна контакта будет именно под осью.

Чем больше (длиннее) колесная база мотоцикла, тем он устойчивее на прямой. И тем менее охотно эту прямую покидает, когда надо «завалиться» в поворот. Пропорционально росту скорости, чем быстрее едешь – тем труднее. Длинный мотоцикл, особенно с низко расположенным центром тяжести, очень сложно завалить в поворот. Приходится прилагать усилие, смещая собственный вес, чтобы удержать его на траектории, которую он постоянно стремится «распрямить».

Если к длинной базе добавляется большой трейл, мот просто превращается в «трамвай», не желающий «покидать колею» и поворачивать. Даже победив его сопротивление, предварительно оттормозившись почти до нуля и «ввалив» мотоцикл в поворот, водитель обнаружит, что аппарат просто не способен пройти его по малому радиусу, повернув под крутым углом.

Из-за разницы в «поведении» переднего колеса, которое, поворачиваясь, «складывает» мотоцикл вокруг оси рулевой колонки, и заднего, толкающего всю оставшуюся длину мотоцикла по прямой, в повороте заднее и переднее колесо всегда проезжают по разной траектории. Чем меньше база, тем меньше различие между двумя этими траекториями, меньше радиус разворота. И, при одинаково расположенном центре тяжести, на меньший угол нужно будет наклонить в повороте тот мотоцикл, у которого короче база.

Центр тяжести

Центр тяжести (ЦТ) находится в точке, «подвесив» мотоцикл за которую, можно равномерно распределить вес аппарата во все стороны. Это как отбалансировать карандаш на пальце, чтобы не перевешивала ни одна из его половин – тогда в центре, над пальцем, найдется эта условная «точка». Центр тяжести иногда ошибочно называют центром масс, но это два разных понятия.

В статике у большинства мотоциклов центр тяжести расположен в районе двигателя и распределяет вес между колесами примерно поровну. Примерно, поскольку распределение 50/50 практически не встречается. В среднем оси загружены с разным процентом в диапазоне от 40/60 до 60/40 (в зависимости от класса мотоцикла, количества мест и наличия багажника).

У мотоциклиста тоже есть свой ЦТ, расположенный в районе живота, на высоте поясницы (в среднем). Вес мотоциклиста может составлять около трети от снаряженной массы мотоцикла. А в случае с малокубатурником – даже больше половины. Поэтому масса райдера будет сильно влиять на общее распределение нагрузки на подвеску (по осям). От того, насколько близко будут располагаться ЦТ мотоцикла и ЦТ водителя, зависит стабильность и управляемость байка на дороге. Садясь в седло, мотоциклист «создает» общий с мотом ЦТ, на смещение которого может влиять свешиванием, вставанием на подножки и сдвигом вперед-назад по сиденью.

Так центр тяжести мотоцикла меняет свое расположение при разгоне и торможении, разгружая и загружая переднюю или заднюю подвеску. При загрузке передней вилки, база мотоцикла несколько укорачивается, а при загрузке задней подвески и «складывании» маятника – несколько удлиняется.

Чем сильнее заложить (наклонить) мотоцикл, тем с большей скоростью и по меньшему радиусу можно пройти поворот. Но чем ниже центр тяжести мотоцикла, тем большее усилие приходится для этого приложить водителю, смещая свой ЦТ далеко за ось наклона байка, вплоть до чирканья локтями и коленями по асфальту.

На выходе из поворота недостаточно «отпустить» мот, чтобы он «сам выровнялся». Тот самый «эффект гироскопа» не может полностью компенсировать момент, даже при интенсивном добавлении газа. Кроме того, прибавляя газ в самом повороте, при экстремальных наклонах, есть опасность сорвать в букс заднее колесо.

Потеря сцепления колеса с дорогой приводит к его «сносу» под действием центробежной силы наружу поворота, а вслед за смещением «пятна контакта» резины с асфальтом вбок поедет вся задняя часть мотоцикла. Если переднее колесо «смотрело» внутрь поворота, крен усугубится, и через секунды весь экипаж хлопнется об землю той стороной, в которую поворачивал, словив лоусайд. Если в момент сноса заднее колесо вновь резко получит большое сцепление с дорогой – будет еще веселее: пилота ждет хайсайд во всей красе, с перелетом через руль и приземлением отдельно от мотоцикла.

Хайсайд, лоусайд и еще несколько неприятных ситуаций, на ликвидацию которых направлены курсы контраварийного вождения, – скорее тема для отдельной статьи, а мы дальше поговорим о геометрии. Так вот: «поднимать» мотоцикл из поворота «помогают» именно трейл и база. Чем они длиннее, тем труднее побеждать сопротивление колеса повороту, и тем сильнее оно само стремится снова выехать на прямую, поднявшись вертикально.

Как это работает?

Почему на поведение такого большого мотоцикла влияет длина какого-то абстрактного отрезка, который даже не контактирует физически с поверхностью асфальта? Как трейл «заставляет» колесо поворачиваться в противоположную сторону? Почему маленький трейл – это «плохо», а когда его нет – еще хуже? Почему большая база – это и хорошо и нехорошо одновременно? Как подвеска влияет на поворачиваемость, и почему неправильный подбор покрышек превратит езду в мучение?

По порядку:

• Идеального мотоцикла» не существует.
• Идеальной подвески» не существует.
• Идеальной резины» не существует.
• Деда Мороза… хотя, тут есть варианты…

Для каждого типа дорог и условий езды геометрия мотоцикла, тип и жесткость подвески, типоразмер резины подбираются исходя из того, что актуальнее. Устойчивость и маневренность – два «полюса», балансируя между которыми, инженеры получают лучшую управляемость в определенной категории. Мотоциклам для дрэг-рейсинга не важно «уметь» поворачивать, зато важно быть устойчивыми и «загрузить» перед, чтобы не опрокинуться при старте. Поэтому их конструкторам плевать на трейл, главное – база и развесовка. Мотоциклам для триала жизненно важно быть верткими, легкими, способными развернуться не просто на «пятачке», а на месте. Поэтому у них самый маленький трейл и самая короткая база в сравнении с остальными.

Как «работает» трейл

Упрощенно: у переднего колеса есть центр пятна контакта с поверхностью. Он находится под центром оси. Но поворачивается колесо не вокруг вертикали, проходящей через этот центр, а стремится повернуться вокруг оси наклона рулевой колонки – в точке, где проекция синей линии на рисунке выше «падает» на землю. Когда мы поворачиваем руль, например, влево, пятно контакта, оставшееся «позади» этой оси поворота колеса, выдвигается вправо, на большее или на меньшее расстояние, в зависимости от диаметра колеса, высоты резины и интенсивности поворота руля. Как только пятно контакта и всю часть колеса, оставшуюся позади проекции оси рулевой колонки, начинает «тянуть» вправо – возникает противоположно направленная сила сопротивления, стремящаяся «вернуть» все «как было». Чем больше расстояние между центром пятна контакта и точкой проекции оси рулевой колонки (трейл), тем больше «рычаг», которым эта сила «пользуется», тем быстрее колесо выравнивается.

«Что ты заладил: трейл-трейл…» – пора бы уже возмутиться – «Неужели ничего важнее нет в геометрии мотоцикла?» Есть. Баланс между длиной трейла и длиной колесной базы. От него зависит коэффициент устойчивости байка. «Опять трейл?!» Да, снова он. Это единственный показатель, взаимосвязанный практически со всем в ходовой части мотоцикла. Колесная база не поменяется, если установить покрышки другого профиля. Вынос перьев вилки не поменяется, если просто сдвинуть их дальше в траверсах, а угол… эм… рейк передней вилки не изменится, если эти перья удлинить даже на метр. Трейл на все эти изменения обязательно отреагирует. Станет больше или меньше по отношению к базе. Из-за этого увеличится или уменьшится коэффициент устойчивости, и пропорционально изменится «поведение» мотоцикла на дороге.

Что важнее – рейк или трейл

В 1982 году английский инженер и мотогонщик Тони Фоул (Tony Foale), посвятивший больше 50 лет теории и практике постройки мотоциклетных шасси, автор двух популярных учебников по конструированию решил экспериментально проверить, что станет с управляемостью, если «поиграть» с рулевой геометрией?

«Пожертвовав» своим BMW R75, на котором радикально изменил рейк на нулевой, а через некоторое время – на 15-градусный (в сравнении со стоковым, на 32 градуса), он в течение года тестировал мотоцикл с разным значением трейла.

Для чистоты эксперимента Тони привлекал к тестам других гонщиков. По итогу выяснил, что независимо от угла наклона вилки, байк остается управляемым и предсказуемым до тех пор, пока длина трейла остается не меньше 3,5 дюймов.

Устойчивость и управляемость

Устойчивость – это то, что позволяет на мотоцикле рулить одной рукой, а на велосипеде – исполнить детский трюк: «Мам, смотри, я еду без рук!», это то, что помогает байку выходить из поворота и возвращаться из наклона к нормальному перпендикулярному дороге положению. Устойчивый мотоцикл сбалансирован и может самостоятельно «поливать» по прямой, без вмешательства водителя.

Устойчивость – это когда мотоцикл не «переставляет» при торможении, не «колбасит» на скорости выше крейсерской, и не «шиммит» руль, заставляя ее сбрасывать. Устойчивость – это хорошо, но только до какого-то предела, потому что дальше она снижает маневренность и не дает быстро перестраиваться или вписываться в крутой поворот на приличной скорости.

Маневренность – способность мотоцикла резко «вотпрямщас» вывернуть перед препятствием, развернуться на маленьком «пятачке», «завалиться» на максимально возможный угол наклона и выйти из него, не сорвавшись в лоусайд, сохранив управляемость – самую важную характеристику, баланс между маневренностью и устойчивостью, не дающий провернуть второй детский трюк: «Мам, смотри, я еду без зубов!».

От чего зависит управляемость

Управляемость – это предсказуемость, четкое ощущение у водителя «обратной связи» и уверенность, что мот послушно поедет именно так и именно туда, куда его «рулят». Управляемость – «золотая середина» между «паровозной» устойчивостью и «нервозной» маневренностью, когда мотоцикл резко реагирует на малейший толчок руля, феноменально поворотлив, но не «прощает» ошибки наклона буквально в один градус. Излишняя маневренность – большой минус на высоких скоростях и на плохой дороге. На практике высокую маневренность показывают именно мотоциклы с коротким… «Трейлом?!» Им, родимым. Все действительно «крутится» вокруг него, как и весь мотоцикл – вокруг оси рулевой колонки. Есть лишь маленький диапазон его значения, в пределах которого байк управляем. Все, что меньше – «нервная обезьяна», все что больше – «трамвай».

Управляемость мотоцикла, кроме соотношения трейл-база, зависит от (загибайте пальцы): соосности колес, расположения центра тяжести; длины хода, исправности (и наличия) подвески, эффективности тормозов, наличия ABS; от веса и посадки водителя, ширины руля, распределения общей загрузки, исправности сцепления, состояния (износа) двигателя и КПП… все? Нет, не все. Еще она зависит от жесткости и материала рамы мотоцикла, формы протектора и качества сцепления резины с дорогой, немного – от обтекаемости обвеса байка (аэродинамического сопротивления), чуть-чуть – от продольного или поперечного расположения двигателя... а еще управляемость – понятие динамичное и сильнее всего зависит от скорости, которую мот развил в конкретный момент.

Еще раз повторю мысль о том, что соотношение трейла и базы мотоцикла взаимосвязано практически с любым изменением «геометрии» его ключевых точек. Есть такой рейсинговый прием, как trail braking: чтобы легче было «вложить» мот в поворот, непосредственно перед входом в него нужно интенсивно оттормозиться, загрузив и сжав переднюю вилку. Уменьшится расстояние от рулевой колонки до земли, и, соответственно, уменьшится длина трейла по отношению к базе. Сила сопротивления повороту станет меньше. Но эффективность этого приема четко зависит от исправности передней подвески: если вилка «подсела» – вместо плавного сжатия, ее «раскачает», и тогда ни о какой управляемости речи быть не может.

Сразу напрашивается вопрос: «Если приходится этот трейл уменьшать, то почему его не сделают сразу маленьким?» Потому что при маленьком трейле чаще всего возникает вобблинг (он же «шимми», он же «расколбас» руля). Колесу с маленьким «рычагом воздействия» сложнее сопротивляться мелким боковым толчкам от дорожных неровностей и резонансу от вибраций подвески.

Есть ли вывод?

«Понятно, в общем, берем мотоцикл с короткой базой, высоким центром тяжести и самым большим трейлом, который будем «сжимать» перед каждым поворотом, и получаем крутой управляемый мот, правильно?» Нет. Если бы это было так просто – технические отделы мотопроизводителей не бились бы за каждый грамм миллиметр и лошадиную силу. К примеру, тот же самый «эффект гироскопа», дающий устойчивость на прямой и «подруливающий» колесо в сторону крена, напрямую зависит от массы колеса. Чем оно тяжелее, тем сильнее стабилизирующий эффект от его вращения. Но, в то же время, чем больше вес и диаметр колеса, тем хуже динамика разгона и торможения, больше неподрессоренные массы, больше расход топлива и в целом – нагрузка на двигатель. В совокупности «минусы» перевешивают «плюсы».

Пользуясь знанием о роли трейла в геометрии мотоцикла, можно вычислить для каждого конкретного байка коэффициент его устойчивости. Для этого нужно измерить общую длину базы, вместе с трейлом и трейл отдельно. Затем разделить меньшее на большее и умножить на 100. Полученное число – процентный показатель. Если полученный показатель не устраивает, его можно корректировать в разумных пределах. У современных «классиков» и дорожных мотоциклов он составляет от 6,3 до 7 %, у круизеров 7 – 7,4%, у нейкедов и гражданских версий спортбайков от 6 до 6,5%, а все, что меньше 6%, относится к чисто спортивным или «кольцевым» моделям.

Как изменить геометрию без вмешательства в конструкцию рамы

Если вы меняете резину на более высокопрофильную, удлиняете или укорачиваете маятник, даже если меняете преднатяг заднего амортизатора, уменьшив его ход на 1-2 см, вы измените соотношение «база-трейл», сделав мотоцикл либо более устойчивым, либо более маневренным.

Увеличить trail можно «поднятием» задней части мотоцикла за счет хода подвески. Сменив резину, либо установив переднее колесо чуть большего диаметра. Уменьшить – продвинув на пару см перья в траверсах (вверх) или заменив вилку на более «короткую», удлинив задний маятник.  Главное – делать это с предварительным расчетом и возможностью «отыграть» изменения назад, если результат окажется неудовлетворительным.