Геометрия велосипеда и мотоцикла

Сбор ключевых измерений, определяющих конкретную конфигурацию велосипеда

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

Геометрия велосипеда и мотоцикла — это совокупность ключевых измерений (длины и углов), которые определяют конкретную конфигурацию велосипеда. Основными из них являются колесная база , угол оси рулевого управления, смещение вилки и вынос. Эти параметры оказывают большое влияние на то, как управляется велосипед . ^[1]

Колесная база

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

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

Угол поворота оси рулевого управления

Телескопические вилки на мотоцикле BMW показывают угол оси рулевого управления, также называемый углом наклона вилки.

Пример измельчителя с необычно большим углом наклона

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

Угол наклона головы велосипеда

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

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

Из-за передней вилочной подвески современные горные велосипеды — в отличие от шоссейных велосипедов — имеют более слабые углы наклона рулевой трубы, обычно около 70°, хотя они могут быть и 62° (в зависимости от настройки геометрии рамы). ^[3]

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

Угол наклона мотоцикла

В мотоциклах угол оси рулевого управления измеряется от вертикали и называется углом кастера , углом наклона или просто углом наклона ; ^[5] угол наклона 0°, следовательно, вертикальный. Например, Moto Guzzi ^[6] предлагает:

• Breva V 1100 2007 года с углом наклона 25°30′ (25,5 градусов)
• Nevada Classic 750 2007 года с углом наклона вилки 27,5°

Смещение вилки

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

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

Смещение может быть реализовано путем изгибания вилок, добавления перпендикулярной вкладки на их нижних концах, смещения гнезд лопастей вилки короны вилки перед рулевой колонкой или путем установки вилки в корону под углом к ​​рулевой колонке. Разработка вилок с изгибами приписывается Джорджу Сингеру . ^[8]

В мотоциклах с телескопическими трубками вилки смещение вилки может быть реализовано либо смещением в тройной траверсе , путем добавления наклона тройной траверсы ^[9] (обычно измеряемого в градусах от 0) к трубкам вилки, когда они устанавливаются в тройную траверсу, либо комбинацией этих двух способов. ^[10] Другие, менее распространенные вилки мотоциклов , такие как вилки с продольным рычагом или ведущей тягой, могут реализовывать смещение за счет длины рычагов.

Длина вилки

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

Тащить

Диаграмма, показывающая влияние уменьшения угла наклона рулевой трубы, смещения вилки или размера (диаметра) колеса на трассу.

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

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

Трейл — это горизонтальное расстояние от точки соприкосновения переднего колеса с землей до точки пересечения оси рулевого управления с землей. 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 трейл, хотя некоторые, такие как двухмассовый коньковый велосипед и Python Lowracer, имеют отрицательный трейл. ^[12]

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

Трейл является функцией угла оси рулевого управления, смещения вилки и размера колеса. Их взаимосвязь можно описать следующей 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 головки велосипеда, измеренный от горизонтали, — угол наклона мотоцикла, измеренный от вертикали, — смещение вилки. Трейл можно увеличить, увеличив размер колеса, уменьшив или ослабив угол наклона головки или уменьшив смещение вилки . Трейл уменьшается по мере увеличения угла наклона головки (становится круче), по мере увеличения смещения вилки или по мере уменьшения диаметра колеса. ${\displaystyle R_{w}}$ ${\displaystyle A_{h}}$ ${\displaystyle A_{r}}$ ${\displaystyle O_{f}}$

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

Трейл может меняться, когда мотоцикл наклоняется или поворачивается. В случае традиционной геометрии трейл уменьшается (а колесная база увеличивается, если измерять расстояние между точками контакта с землей, а не ступицами), когда мотоцикл наклоняется и поворачивается в направлении наклона. ^[17] Трейл также может меняться, когда активируется подвеска, например, в ответ на торможение. Поскольку телескопические вилки сжимаются из-за передачи нагрузки во время торможения, трейл и колесная база уменьшаются. ^{[18] [ самоизданный источник? ]} По крайней мере один мотоцикл, MotoCzysz C1 , имеет вилку с регулируемым трейлом, от 89 до 101 мм [от 3,50 до 3,98 дюйма]. ^[19]

Механический след

Механический след — это перпендикулярное расстояние между осью рулевого управления и точкой контакта переднего колеса с землей. ^[20] Его также можно назвать нормальным следом . ^[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 велосипеда остается неполным, ^[15] у нас есть хорошее общее понимание взаимозависимых динамических сложностей. ^[22] Механический след, безусловно, является одной из важнейших переменных в определении характеристик управляемости велосипеда. Нулевой след может дать некоторые преимущества: ^[23]

• устраняется влияние положения центра давления ветровых сил, приходящих сбоку
• эффект проваливания колеса (см. ниже) устранен

Опытные и внимательные велосипедисты могут лучше контролировать траекторию, если механическая направляющая расположена ниже, в то время как известно, что более высокая направляющая позволяет легче управлять велосипедом «без рук» и, следовательно, субъективно более устойчиво.

Колесо шлепает

Wheel flop относится к поведению рулевого управления, при котором велосипед или мотоцикл имеет тенденцию поворачиваться больше, чем ожидалось, из-за того, что переднее колесо "переворачивается" при повороте руля. Wheel flop вызывается опусканием передней части велосипеда или мотоцикла, когда руль поворачивается от положения "прямо вперед". Это явление опускания происходит в соответствии со следующим уравнением:

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

где:

${\displaystyle f}$= «коэффициент провисания колеса», расстояние, на которое опускается центр оси переднего колеса при повороте руля из положения прямолинейного движения в положение, отклоняющееся на 90 градусов от прямолинейного движения

${\displaystyle b}$= тропа

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

Поскольку флоп-колесо подразумевает опускание передней части велосипеда или мотоцикла, сила, вызванная гравитацией, будет стремиться заставить вращение руля продолжаться с увеличивающейся скоростью вращения и без дополнительного воздействия на руль со стороны гонщика. После того, как руль повернут, гонщику необходимо приложить крутящий момент к рулю, чтобы вернуть его в положение прямолинейного движения и поднять переднюю часть велосипеда или мотоцикла на исходную высоту. ^[24] Вращательная инерция переднего колеса уменьшит серьезность эффекта флоп-колеса, поскольку это приводит к тому, что для инициирования или ускорения изменения направления переднего колеса требуется противодействующий крутящий момент.

Согласно приведенному выше уравнению, увеличение выноса и/или уменьшение угла наклона головы увеличит фактор флоп-фактора колеса на велосипеде или мотоцикле, что увеличит крутящий момент, необходимый для возврата руля в положение прямолинейного движения, и увеличит тенденцию транспортного средства к внезапному отклонению от линии кривой. Кроме того, увеличение веса, приходящегося на переднее колесо транспортного средства, либо путем увеличения массы транспортного средства, водителя и груза, либо путем изменения соотношения веса для смещения центра масс вперед, увеличит серьезность эффекта флоп-эффекта колеса. Увеличение инерции вращения переднего колеса путем увеличения скорости транспортного средства и скорости вращения колеса будет иметь тенденцию противодействовать эффекту флоп-эффекта колеса.

Определенное количество люфта колес обычно считается желательным. Журнал Bicycle Quarterly утверждает: «Велосипед со слишком малым люфтом колес будет вялым в своих реакциях на действия руля. Велосипед со слишком большим люфтом колес будет иметь тенденцию отклоняться от своей линии на низких и средних скоростях». ^[25]

Модификации

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

Изменение длины вилки

Увеличение длины вилки, например, путем перехода от жесткой к подвеске, поднимает переднюю часть велосипеда и, таким образом, уменьшает угол наклона его рулевой колонки. ^[11] Удлинение вилки имело бы противоположный эффект на наклон мотоцикла, поскольку наклон измеряется в противоположном направлении.

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

Изменение смещения вилки

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

Юридические требования

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

"4. Все мотоциклы, за исключением трехколесных, должны соответствовать следующим характеристикам в отношении геометрии переднего колеса:

МАКСИМУМ: Наклон: 45 градусов; Вылет: 14 дюймов [35,56 см] положительный

МИНИМУМ: Наклон: 20 градусов; Вылет: 2 дюйма [5,08 см] положительный

Спецификации производителя должны включать конкретные значения угла наклона и выноса для каждого мотоцикла или класса мотоциклов, а термины «угол наклона» и «вынос» должны быть определены директором в правилах, принятых в соответствии с главами 28–32.

Другие аспекты

Для других аспектов геометрии, таких как эргономика или предполагаемое использование, см. статью о раме велосипеда . 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
• Рама велосипеда
• Рулевое управление с центральным расположением ступицы
• Вилка мотоцикла

Ссылки

1. "Полное руководство по геометрии и управлению велосипедом". BikeRadar . Получено 7 февраля 2023 г. .
2. "Lemond Racing Cycles". 2006. Архивировано из оригинала 4 августа 2006 года . Получено 8 августа 2006 года .
3. Пол Астон (28 сентября 2015 г.). «Первая поездка: Nicolai Mojo GeoMetron». PinkBike . Получено 26 февраля 2017 г. Подробности 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". BikeRadar . Получено 14 апреля 2013 г.
5. Rider Contributor (30 июня 2009 г.). «Подвеска и понимание наклона и трейла мотоцикла». Журнал Rider. Архивировано из оригинала 14 декабря 2013 г. Получено 14 декабря 2013 г. Наклон — это угол в градусах, на который рулевая колонка рамы... наклонена назад от вертикали {{cite web}}: |author=имеет общее название ( помощь )
6. "Moto Guzzi USA". 2006. Архивировано из оригинала 12 декабря 2006 года . Получено 11 декабря 2006 года .
7. "Геометрия управления велосипедом". Calfee Design . Получено 6 апреля 2011 г.
8. Кевин Аткинсон (2013). История Сингера: автомобили, коммерческий транспорт, велосипеды и мотоциклы. Veloce Publishing Ltd. Получено 14 декабря 2013 г. Изогнутые передние вилки велосипеда являются патентом Джорджа Сингера и используются до сих пор.
9. "Rake & Trail Calculator". RB Racing . Получено 14 декабря 2013 г.
10. Хорнсби, Энди (2006). «Назад в школу». Архивировано из оригинала 4 апреля 2005 года . Получено 12 декабря 2006 года .
11. Rinard, Damon (1996). "Fork Lengths". Архивировано из оригинала 26 октября 2007 г. Получено 18 октября 2007 г.
12. "Геометрия рамы". Архивировано из оригинала 20 апреля 2011 г. Получено 7 апреля 2011 г.
13. Джош Патнэм. «Геометрия рулевого управления: что такое Trail?». Архивировано из оригинала 30 апреля 2011 г. Получено 7 апреля 2011 г.
14. "Введение в геометрию и управление велосипедом". Фрагмент 666. Архивировано из оригинала 30 апреля 2011 г. Получено 7 апреля 2011 г.
15. Whitt, Frank R.; Jim Papadopoulos (1982). "Глава 8". Bicycle Science (Третье изд.). Массачусетский технологический институт. ISBN 0-262-73154-1.
16. Патнэм, Джош (2006). «Геометрия рулевого управления: что такое Trail?» . Получено 8 августа 2006 г.
17. Cossalter, Vittore (2006). "THE TRAIL". Архивировано из оригинала 10 мая 2006 года . Получено 14 декабря 2006 года .
18. Коссалтер, Витторе (2006). Динамика мотоцикла (Второе издание). Lulu.com. стр. 234. ISBN 978-1-4303-0861-4.^{[ самостоятельно опубликованный источник ]}
19. "MotoCzysz". 2006. Архивировано из оригинала 1 декабря 2006 года . Получено 14 декабря 2006 года .
20. Тони Фоул (2006). Управление мотоциклом и конструкция шасси: искусство и наука. Тони Фоул. стр. 3-1. ISBN 9788493328634. Получено 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 Коссальтер (2006). Динамика мотоцикла. Lulu.com. стр. 32. ISBN 9781430308614. Получено 18 октября 2013 г. . Нормальный вылет — это перпендикулярное расстояние между передней точкой контакта и осью рулевой колонки.
22. Джонс, Дэвид Э. Х. (1 сентября 2006 г.). «Из архивов: Устойчивость велосипеда». Physics Today . 59 (9): 51–56. Bibcode : 2006PhT....59i..51J. doi : 10.1063/1.2364246 .
23. Уоткинс, Грегори К. "Динамическая устойчивость полностью обтекаемого одноколейного транспортного средства с человеческим приводом" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 17 июля 2006 г. . Получено 23 августа 2006 г. .
24. Foale, Tony (2002). Управление мотоциклом и конструкция шасси. Tony Foale Designs. стр. 3–11. ISBN 84-933286-1-8. Получено 3 июня 2010 г.
25. "Bicycle Quarterly -- Glossary". Bicycle Quarterly Press . Получено 29 августа 2021 г.
26. Matchak, Tom (2006). "Fork Re-Raking and Head Angle Change" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 17 мая 2008 года . Получено 30 мая 2008 года .
27. "ГЛАВА 39-27 ОБОРУДОВАНИЕ МОТОЦИКЛА" (PDF) . 2006 . Получено 14 декабря 2006 .

Внешние ссылки

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