Геометрия велосипеда и мотоцикла

Сбор ключевых измерений, определяющих конкретную конфигурацию велосипеда.

Параметры геометрии велосипеда: колесная база , угол поворота оси, смещение вилки и след.

Геометрия велосипеда и мотоцикла — это набор ключевых измерений (длин и углов), которые определяют конкретную конфигурацию велосипеда. Основными из них являются колесная база , угол поворота оси рулевого управления, смещение вилки и след. Эти параметры оказывают большое влияние на управляемость велосипеда . ^[1]

Колесная база

Колесная база — это горизонтальное расстояние между центрами (или точками контакта с землей) передних и задних колес. Колесная база зависит от длины задней рамы, угла поворотной оси и смещения вилки. Это похоже на термин «колесная база» , используемый для автомобилей и поездов.

Колесная база оказывает большое влияние на продольную устойчивость велосипеда ^{[ необходимы разъяснения ]} наряду с высотой центра масс велосипеда и водителя. Короткие велосипеды гораздо больше подходят для выполнения вилли и стоппи .

Угол поворотной оси

Телескопическая вилка на мотоцикле BMW показывает угол оси рулевого управления, также называемый передним углом.

Пример чоппера с необычно большим передним углом.

Угол оси поворота называется углом кастера , если измерять его от вертикальной оси, или углом наклона головы , если измерять от горизонтальной оси. Ось рулевого управления — это ось , вокруг которой поворачивается рулевой механизм (вилка, руль, переднее колесо и т. д.). Угол оси рулевого управления обычно соответствует углу рулевой трубы .

Угол наклона головы велосипеда

В велосипедах угол оси рулевого управления измеряется от горизонтали и называется углом головы ; угол наклона головы 90° будет вертикальным. Например, Lemond ^[2] предлагает:

• Filmore 2007 года выпуска, разработанный для трека, с углом наклона рулевой колонки от 72,5 ° до 74 ° в зависимости от размера рамы.
• Tete de Course 2006 года выпуска, предназначенный для шоссейных гонок, с углом наклона головы от 71,25 ° до 74 °, в зависимости от размера рамы.

Из-за подвески передней вилки современные горные велосипеды , в отличие от шоссейных , имеют тенденцию иметь более слабый угол наклона рулевой трубы, обычно около 70°, хотя он может быть и 62° (в зависимости от настроек геометрии рамы). ^[3]

По крайней мере, один производитель, Cane Creek, предлагает на вторичном рынке безрезьбовую гарнитуру , позволяющую изменять угол наклона головы. ^[4]

Угол наклона мотоцикла

В мотоциклах угол оси поворота измеряется от вертикали и называется углом наклона , углом наклона или просто наклоном ; ^[5] Таким образом, угол наклона 0° является вертикальным. Например, Moto Guzzi ^[6] предлагает:

• Breva V 1100 2007 года выпуска с углом наклона 25 ° 30 футов (25,5 градуса)
• Nevada Classic 750 2007 года выпуска с углом наклона 27,5°.

Смещение вилки

Смещение вилки — это расстояние по перпендикуляру от оси рулевого управления до центра переднего колеса.

В велосипедах смещение вилки также называют рейком вилки . Вилки для шоссейных велосипедов имеют смещение 40–50 мм (1,6–2,0 дюйма). ^[7]

Смещение может быть реализовано путем изгиба вилок, добавления перпендикулярных выступов на их нижних концах, смещения гнезд вилки на головке вилки перед рулевым наконечником или путем установки вилок на корону под углом к ​​рулевой трубе. Разработка вилок с кривыми приписывается Джорджу Сингеру . ^[8]

В мотоциклах с телескопическими трубками вилки смещение вилки может быть реализовано либо путем смещения в тройном дереве , добавляя грабли тройного дерева ^[9] (обычно измеряемые в градусах от 0) к трубкам вилки при их установке в тройное дерево, либо комбинация этих двух. ^[10] Другие, менее распространенные мотоциклетные вилки , такие как вилки с продольным или ведущим рычагом, могут компенсироваться длиной рычагов.

Длина вилки

Длина вилки измеряется параллельно рулевой трубе от нижнего подшипника короны вилки до центра оси. ^[11]

Тащить

Диаграмма, показывающая эффект уменьшения угла рулевой трубы, смещения вилки или размера (диаметра) колес на трассе.

Анимация, показывающая, как смещение вилки должно меняться при изменении угла оси рулевого управления, чтобы след оставался постоянным.

Анимация, показывающая, как смещение вилки должно меняться при изменении следа, чтобы угол оси рулевого управления оставался постоянным.

След — это горизонтальное расстояние от места, где переднее колесо касается земли, до места, где ось рулевого управления пересекает землю. Измерение считается положительным , если точка контакта переднего колеса с землей находится позади (по направлению к задней части велосипеда) пересечения оси рулевого управления с землей. Большинство велосипедов имеют положительный след, хотя некоторые, такие как велосипед с двумя массами и Python Lowracer, имеют отрицательный след. ^[12]

След часто упоминается как важный фактор, определяющий характеристики управляемости велосипеда, ^{[13] [14]} и иногда указывается в данных о геометрии производителей велосипедов. Уилсон и Паподопулос ^{[ нужна ссылка ]} утверждают, что механический след может быть более важной и информативной переменной, ^[15], хотя оба выражения описывают почти одно и то же.

След зависит от угла оси рулевого управления, смещения вилки и размера колес. Их взаимосвязь можно описать такой формулой: ^[16]

${\displaystyle {\text{Trail}}_{\text{bicycle}}={\frac {R_{w}\cos(A_{h})-O_{f}}{\sin(A_{h})}}}$и ${\displaystyle {\text{Trail}}_{\text{motorcycle}}={\frac {R_{w}\sin(A_{r})-O_{f}}{\cos(A_{r})}}}$

где - радиус колеса, - угол наклона головы велосипеда, измеренный от горизонтали, - угол наклона мотоцикла, измеренный от вертикали, - смещение вилки. Трейл можно увеличить, увеличив размер колес, уменьшив или ослабив угол наклона рулевой рейки или уменьшив вылет вилки . След уменьшается по мере увеличения угла поворота рулевой колонки (становится круче), по мере увеличения смещения вилки или уменьшения диаметра колеса. ${\displaystyle R_{w}}$ ${\displaystyle A_{h}}$ ${\displaystyle A_{r}}$ ${\displaystyle O_{f}}$

Мотоциклисты склонны говорить о следе в зависимости от угла наклона . Чем больше передний угол, тем больше след. Обратите внимание, что на велосипеде с увеличением угла наклона угол наклона головы уменьшается.

Трасса может меняться в зависимости от наклона или поворота мотоцикла. В случае традиционной геометрии след уменьшается (а колесная база увеличивается, если измерять расстояние между точками контакта с землей, а не ступицами), когда велосипед наклоняется и поворачивает в направлении наклона. ^[17] След также может меняться в зависимости от активации подвески, например, в ответ на торможение. Поскольку телескопическая вилка сжимается из-за передачи нагрузки во время торможения, след и колесная база уменьшаются. ^{[18] [ собственный источник? ]} По крайней мере, один мотоцикл, MotoCzysz C1 , имеет вилку с регулируемым вылетом от 89 до 101 мм [от 3,50 до 3,98 дюйма]. ^[19]

Механическая тропа

Механический след — это перпендикулярное расстояние между осью рулевого управления и точкой контакта переднего колеса с землей. ^[20] Его также можно назвать обычным маршрутом . ^[21] В каждом случае его значение равно числителю в выражении для следа.

${\displaystyle {\text{MechanicalTrail}}_{\text{bicycle}}=R_{w}\cos(A_{h})-O_{f}}$, и

${\displaystyle {\text{MechanicalTrail}}_{\text{motorcycle}}=R_{w}\sin(A_{r})-O_{f}}$

Хотя научное понимание рулевого управления велосипедом остается неполным, ^[15] у нас есть хорошее общее понимание взаимозависимых динамических сложностей. ^[22] Механический след, безусловно, является одной из наиболее важных переменных, определяющих характеристики управляемости велосипеда. Нулевой след может дать некоторые преимущества: ^[23]

• исключается влияние положения центра давления сил ветра, идущего сбоку
• эффект проваливания колеса (см. ниже) устранен

Опытные и бдительные гонщики могут лучше контролировать траекторию, если механическая трасса ниже, в то время как известно, что более высокая трасса облегчает езду на велосипеде «без рук» и, следовательно, более субъективно стабилизируется.

Колесо провалилось

Проваливание колеса означает поведение рулевого управления, при котором велосипед или мотоцикл имеет тенденцию поворачивать больше, чем ожидалось, из-за того, что переднее колесо «переворачивается» при вращении руля. Провал колеса вызван опусканием передней части велосипеда или мотоцикла, когда руль поворачивается в сторону от положения «прямо». Это явление понижения происходит согласно следующему уравнению:

${\displaystyle f=b\sin \theta \cos \theta }$

где:

${\displaystyle f}$= «коэффициент перекоса колес», расстояние, на которое центр оси переднего колеса опускается, когда руль поворачивается из положения прямо вперед в положение на 90 градусов от положения прямо вперед.

${\displaystyle b}$= след

${\displaystyle \theta }$= угол наклона головы

Поскольку перекачивание колес связано с опусканием передней части велосипеда или мотоцикла, сила тяжести будет стремиться к тому, чтобы вращение руля продолжалось с увеличением скорости вращения и без дополнительных усилий водителя на руле. Как только руль повернут, водителю необходимо приложить к рулю крутящий момент, чтобы вернуть его в прямое положение и вернуть переднюю часть велосипеда или мотоцикла на исходную высоту. ^[24] Вращательная инерция переднего колеса уменьшит серьезность эффекта опрокидывания колеса, поскольку это приводит к тому, что противодействующий крутящий момент необходим для инициирования или ускорения изменения направления переднего колеса.

Согласно приведенному выше уравнению, увеличение следа и/или уменьшение угла наклона головы приведет к увеличению коэффициента перекоса колес на велосипеде или мотоцикле, что увеличит крутящий момент, необходимый для возврата руля в положение прямо, и увеличит тенденцию движения автомобиля. внезапно отклониться от линии кривой. Кроме того, увеличение веса, приходящегося на переднее колесо транспортного средства, либо за счет увеличения массы транспортного средства, водителя и груза, либо за счет изменения соотношения весов для смещения центра масс вперед, увеличит серьезность эффекта проваливания колеса. Увеличение инерции вращения переднего колеса за счет увеличения скорости автомобиля и скорости вращения колеса будет способствовать противодействию эффекту опрокидывания колеса.

Обычно считается желательным некоторый люфт колеса. В журнале Bicycle Quarterly говорится: «Велосипед со слишком малым колебанием колес будет вяло реагировать на движения руля. Велосипед со слишком большим колебанием колес будет иметь тенденцию отклоняться от линии на низких и умеренных скоростях». ^[25]

Модификации

Вилки можно модифицировать или заменять, тем самым изменяя геометрию велосипеда.

Изменение длины вилки

Увеличение длины вилки, например, путем переключения с жесткой на подвеску, поднимает переднюю часть велосипеда и, таким образом, уменьшает угол наклона его головы. ^[11] Удлинение вилки будет иметь противоположный эффект на угол наклона мотоцикла, поскольку угол наклона измеряется в противоположном направлении.

Эмпирическое правило гласит: изменение длины вилки на 10 мм приводит к изменению угла оси рулевого управления на полградуса.

Изменение смещения вилки

Увеличение смещения вилки уменьшает вылет, а если это сделать на существующей вилке путем изгиба без удлинения лопастей, укорачивает вилку. ^[26]

Правовые требования

В штате Северная Дакота (США) действуют минимальные и максимальные требования к наклону и следу для «производства, продажи и безопасной эксплуатации мотоцикла на дорогах общего пользования». ^[27]

"4. Все мотоциклы, за исключением трехколесных мотоциклов, должны соответствовать следующим требованиям в отношении геометрии передних колес:

МАКСИМУМ: Угол наклона: 45 градусов; След: 14 дюймов [35,56 см] положительный.

МИНИМАЛЬНЫЙ: Угол наклона: 20 градусов; След: 2 дюйма [5,08 см] положительный

Спецификации производителя должны включать конкретные рейки и следы для каждого мотоцикла или класса мотоциклов, а термины «грабли» и «след» должны определяться директором правилами, принятыми в соответствии с главами 28–32».

Другие аспекты

Другие аспекты геометрии, такие как эргономика или назначение, см. в статье о велосипедной раме . Для мотоциклов другими основными геометрическими параметрами являются высота сиденья и относительное расположение подножек и руля.

Смотрите также

• Портал компаний
• Транспортный портал

• Динамика велосипеда и мотоцикла
• Велосипедная вилка
• Велосипедная рама
• Ступично-центральное рулевое управление
• Мотоциклетная вилка

Рекомендации

1. «Полное руководство по геометрии и управляемости велосипеда». БайкРадар . Проверено 7 февраля 2023 г.
2. "Лимонные гоночные циклы" . 2006. Архивировано из оригинала 4 августа 2006 года . Проверено 8 августа 2006 г.
3. Пол Астон (28 сентября 2015 г.). «Первая поездка: Николай Моджо ГеоМетрон». Розовый Байк . Проверено 26 февраля 2017 г. Детали GeoMetron: угол наклона головки 62–63,5°, в зависимости от амортизатора и длины вилки.
4. Мэтт Пакоча (23 декабря 2011 г.). «Обзор Cane Creek AngleSet». БайкРадар . Проверено 14 апреля 2013 г.
5. Участник Rider (30 июня 2009 г.). «Подвеска и понимание мотоциклетных граблей и трейлов». Журнал Райдер. Архивировано из оригинала 14 декабря 2013 года . Проверено 14 декабря 2013 г. Угол наклона — это угол в градусах, на который рулевая головка рамы отклоняется назад от вертикали. {{cite web}}: |author=имеет общее имя ( справка )
6. "Мото Гуцци США" . 2006. Архивировано из оригинала 12 декабря 2006 года . Проверено 11 декабря 2006 г.
7. «Геометрия управления велосипедом». Калфи Дизайн . Проверено 6 апреля 2011 г.
8. Кевин Аткинсон (2013). История певца: автомобили, коммерческий транспорт, велосипеды и мотоциклы. Велос Паблишинг, ООО . Проверено 14 декабря 2013 г. Изогнутая передняя вилка велосипеда — патент Джорджа Сингера, который используется до сих пор.
9. "Калькулятор граблей и следов" . РБ Рейсинг . Проверено 14 декабря 2013 г.
10. Хорнсби, Энди (2006). "Обратно в школу". Архивировано из оригинала 4 апреля 2005 года . Проверено 12 декабря 2006 г.
11. Ринард, Дэймон (1996). «Длина вилки». Архивировано из оригинала 26 октября 2007 года . Проверено 18 октября 2007 г.
12. «Геометрия рамы». Архивировано из оригинала 20 апреля 2011 года . Проверено 7 апреля 2011 г.
13. Джош Патнэм. «Геометрия рулевого управления: что такое след?». Архивировано из оригинала 30 апреля 2011 года . Проверено 7 апреля 2011 г.
14. «Введение в геометрию и управление велосипедом». Чанк 666 . Архивировано из оригинала 30 апреля 2011 года . Проверено 7 апреля 2011 г.
15. Уитт, Фрэнк Р.; Джим Пападопулос (1982). «Глава 8». Велосипедная наука (Третье изд.). Массачусетский Институт Технологий. ISBN 0-262-73154-1.
16. Патнэм, Джош (2006). «Геометрия рулевого управления: что такое след?» . Проверено 8 августа 2006 г.
17. Коссалтер, Витторе (2006). "ТРОПА". Архивировано из оригинала 10 мая 2006 года . Проверено 14 декабря 2006 г.
18. Коссалтер, Витторе (2006). Динамика мотоцикла (второе изд.). Лулу.com. п. 234. ИСБН 978-1-4303-0861-4.^{[ самостоятельный источник ]}
19. "МотоЧиш". 2006. Архивировано из оригинала 1 декабря 2006 года . Проверено 14 декабря 2006 г.
20. Тони Фоул (2006). Управление мотоциклом и дизайн шасси: искусство и наука. Тони Фоул. п. 3-1. ISBN 9788493328634. Проверено 18 октября 2013 г. расстояние между пятном контакта с землей и осью рулевого управления, измеренное под прямым углом к ​​этой оси. SAE называет это «механическим следом».
21. Витторе Коссалтер (2006). Динамика мотоцикла. Лулу.com. п. 32. ISBN 9781430308614. Проверено 18 октября 2013 г. нормальный след — это перпендикулярное расстояние между передней точкой контакта и осью рулевой головки.
22. Джонс, Дэвид Э.Х. (1 сентября 2006 г.). «Из архива: Устойчивость велосипеда». Физика сегодня . 59 (9): 51–56. Бибкод : 2006PhT....59i..51J. дои : 10.1063/1.2364246 .
23. Уоткинс, Грегори К. «Динамическая устойчивость полностью обтекаемого одногусеничного транспортного средства с приводом от человека» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 17 июля 2006 года . Проверено 23 августа 2006 г.
24. Фоул, Тони (2002). Управление мотоциклом и конструкция шасси. Дизайн Тони Фоула. стр. 3–11. ISBN 84-933286-1-8. Проверено 3 июня 2010 г.
25. "Ежеквартальный журнал велосипедов - Глоссарий" . Ежеквартальная пресса о велосипедах . Проверено 29 августа 2021 г.
26. Матчак, Том (2006). «Перестановка вил и изменение угла наклона головки» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 17 мая 2008 г. Проверено 30 мая 2008 г.
27. «ГЛАВА 39-27 МОТОЦИКЛОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ» (PDF) . 2006 год . Проверено 14 декабря 2006 г.

Внешние ссылки

• Геометрия рулевого управления мотоцикла
• Длина велосипедной вилки
• Иллюстрация размера, который на велосипедах иногда называют углом кастера.
• Объяснение граблей, следа и смещения мотоцикла. Архивировано 19 марта 2011 г. в Wayback Machine.