Вилка и рулевая колонка. (Страница 1 из 78)

При сборке «авторского» велосипеда иногда приходится устанавливать вилку либо от другой модели, либо вилку после правки геометрии. И часто бывает, что после этого велосипед меняет свой характер – становится неустойчивым в повороте или избыточно «острым» в управлении.
Этот материал не содержит рекомендаций, он предназначен для выявления взаимосвязей различных параметров рулевого управления. А каким образом и в каком сочетании применять, это уже каждый должен решить сам, исходя из требований к велосипеду.
Начнем с параметра, наиболее бросающегося в глаза даже при «невооруженном» взгляде (а «вооруженным» взглядом там можно ещё много чего увидеть…) на велосипед – угла наклона рулевой колонки, или кастора, как его называют автомобилисты. Казалось бы- угол и угол, у кого- то больше, у кого-то меньше… Но посмотрим, как он влияет на поведение велосипеда. Лезть в дебри стереометрии не будем, да и большинство не бросится за калькулятором, чтобы с дрожью в душе рассчитать свой «волшебный» угол. Рассмотрим влияние изменения этого угла. Для этого возьмем два случая, в реальном велосипеде не встречающихся, но удобных для определения зависимостей. Рисунков приводить не стану, думаю и так все будет понятно.
Первый случай – рулевая колонка имеет угол наклона 90° (не забываем, что отсчет угла ведется от горизонтали). Что мы будем иметь при повороте руля на какой-то угол? Вслед за рулем переднее колесо повернется и задаст радиус поворота, причем реально задаваемый угол (а он берется в проекции на горизонтальную плоскость) будет равен углу поворота руля.
Второй случай – рулевая колонка имеет угол наклона равный нулю, то есть она расположена горизонтально. Что будет в этом случае при повороте руля на тот же угол, что и в первом случае? Колесо наклонится в сторону, но изменения направления движения не произойдет. Более того, если каким-то образом удастся удержать велосипед в равновесии, то он начнет поворачивать в сторону, противоположную повороту руля.
Все реальные углы наклона рулевой колонки сочетают «свойства» этих двух крайних положений. Нам достаточно понять, что чем меньше угол наклона рулевой, тем больше реально задаваемый угол поворота колеса «отстает» от угла поворота руля. Именно из-за этого спортивные велосипеды с большим углом наклона рулевой имеют более «острую» реакцию на поворот руля, а дорожники с малым углом наклона приобретают некоторую «вальяжность» в поведении.
Второй параметр, на который еще обращают внимание и который виден невооруженным взглядом – вылет вилки. Начнем с того, что вылет есть практически у любой вилки, даже у тех, на которых его вроде бы и нет – вилках дешевых «ашанов» с дропаутами, расположенными посередине подвижной трубы амортизатора. У них этот угол задан формой короны вилки. В исключение из правила могут попасть цирковые и специальные трюковые велосипеды. Почему «могут»? Просто у меня нет данных по их геометрии. Вполне возможно, что они имеют вполне нормальные вилки.
Сочетание первого и второго параметров определяют плечо устойчивости велосипеда. На этом параметре останавливаться не станем, поскольку это отлично расписано в «Современном крокодиле» коллегой Kisa.  А рассмотрим взаимодействие вылета вилки и кастора (использую этот термин для краткости) – смотрим рисунок.

Если повернуть рулевую колонку на 360°, то можно заметить, что средняя точка оси переднего колеса описывает окружность диаметром D, равным удвоенному вылету вилки k. Также обратим внимание, что она расположена под углом «a» к горизонтальной плоскости, который определяется углом кастора. И точка на окружности, соответствующая положению руля «прямо» находится в наивысшей точке траектории. А эта точка соответствует точке устойчивого равновесия – не забываем про вес. То есть, при любом отклонении руля от положения «прямо», эта точка смещается вниз. Но поскольку колесо не может опуститься вниз (песок и болота всуе не упоминаем – это уже сюжет из другой оперы), то приподнимется велосипед. Значит даже в статике у нас появляется сила, стремящаяся вернуть руль в исходное положение. У «сферического велосипеда» в вакууме при отсутствии трения так и произойдет. В реальности все немного иначе, но, тем не менее, эта сила есть, и она работает.
Обращаем внимание, что эта сила растет, когда уменьшается угол кастора и когда увеличивается вылет вилки.
Закончим рассматривать велосипед «профиль» и посмотрим в «анфас», а точнее – сверху.
Подробный рисунок рисовать не стану, рассмотрим схему.
На схеме точки О1, О2, О3 – это опорные точки колес (О3 – для уменьшенной базы)
Точки Р, Р1, Р2 – точки пересечения оси рулевой колонки с горизонтальной плоскостью
R1, R2 – точки, задающие положение радиуса поворота.

Если руль велосипеда установлен в положение «прямо», то две опорные точки колес О1, О2, точка пересечения оси рулевой колонки с горизонтальной плоскостью Р1 и точка центра масс ЦМ расположены на одной прямой. То есть велосипед находится в положении статического и динамического равновесия. То, что статическое равновесие является неустойчивым, пока забудем, на этом этапе нас будет интересовать динамика.
Повернем руль на угол «а». Поскольку колесо может повернуться только относительно опорной точки, точка Р переместиться в положение Р1. И рама велосипеда сместиться вслед за этой точкой — рама то связана с рулевой колонкой (линия О2-Р1). Мы видим, что центр масс сместился в сторону от линии, соединяющей опорные точки и помогает велосипеду наклонится в сторону поворота. Но велосипедист и сам наклоняет велосипед в ту же сторону. И дополнительная «добавка» может довольно серьезно изменить характер «железного коня».
Заметим, что уменьшение плеча устойчивости уменьшает смещение центра масс при том же угле поворота колеса, увеличение – увеличивает. Уменьшение базы велосипеда уменьшает и радиус поворота (на рисунке – точки О3 и R2), что увеличивает центробежную силу.
На поведение велосипеда при езде влияют и другие факторы, вроде величины увода и ширины покрышки, но это не входит в формат этого материала.

Гоцал я на нём всё время, конечно, изрядно. А тут показалось, что как-то не так ведёт себя рулевая. Дело было на ровной грунтовке в паре км от дома. Я на ходу давай ломать руль наподобие коромысла, чтобы понять, что мне не нравится. Ну руль и вынулся, оставшись у меня в руках. Я так подумал (всё ещё на ходу ~10 км/ч !), что непорядок — так и ёмнуться недолго, и вставил его на место. Затормозил, плавно остановился  . Снова вынул, осмотрел. Пошла погулять сварка (у меня тогда кислород кончился, так я удлимннитель тупо приварил электричеством :

Анализ показал, что лопнула родная труба вилки по краю сварного шва. Причиной стало то, что трубка — удлиннитель вставлялась в неё с небольшим зазором, и все нагрузки работали на излом около того самого шва. Если бы паял, припой залил бы зазор и проблемы не было бы.

Вобщем, вставил я это всё на место и своим ходом поехал домой. Утром я имею привычку только продрав глаза, ехать на "пятак" опохмеляться (да не пью я почти ) выпить кофе с жадно хлебающими утреннее пиво друзьями. Без этого "не завожусь". Поэтому так и смотался на кофе — подъехал к кабаку и эффектно посмешил друзей, сняв руль и вилку с колесом и утащив с собой за столик — мол, противоугонка  Потом попрощался, аккуратно вставил всё на место и урулил в сторону дома 

Только после завтрака приступил к ремонту. То, что выпало — запаял латунью, а второй шов усилил электрозаклёпками с двух сторон:

Почему оно ездило в разломанном виде? Потому что не просто варил трубы встык. Какая-никакая целостность и соосность получилась за счёт вхождения одной трубы в другую. Повороты удавались за счет того, что остатки шва (точнее соседней зоны — шов-то целым остался) неровностями цеплялись друг за друга. Поломку спровоцировал ничем не обезвреженый зазор — на шов и соседнюю с ним зону приходились большие нагрузки.

Вывод: Нужно было не подбирать близкую готовую, а точить специальную трубку, плотно входящую, ставить дополнительные электрозаклёпки сразу. Лучше и то и то. Это в случае сварки. А ещё лучше — паять.
Тогда все эти соединительные швы (паяные и сварные) не будут нести критических нагрузок.

В моём случае нельзя было никак увеличивать толщину стержня вилки — она не влезла бы в раму (там тоже высота увеличена вставкой, но специально выточеной и на пайке).

Вобщем, не буду давать готовых общих рекомендаций. От такой конструкции в целом не отказываюсь, просто буду знать, где слабые, а где сильные места.

В соседних темах обскуждается незначительное удлиннение вилки доваркой только маленькой резьбовой части — в предлагаемой там конструкции есть большой смысл — даже в случае поломки шва руль составляет одно целое с вилкой, просто более свободно болтаясь в раме.

А тупо оставлять голый сварной шов нельзя — мой вариант — это условно безопасный минимум!

Возможно, не все знают, что посадочное место под нижний конус рулевой является деталью не штока, а короны вилки. После запайки штока, кольцо посадки подшипника  обтачивают до весьма маленькой толщины, что заранее сделать проблематично. Кроме того, обточка на уже собранной вилке, позволяет добиться строгой соосности посадки подшипника со штоком.

На фото — новая  фирменная заготовка короны (1), где виден запас на проточку. И распаянная старая вилка (2), где видно, насколько мало материала там остаётся после обработки.

Для обточки  Campagnolo предлагает один из своих инструментов, обеспечивающий центровку и нужное усилие прижима фрезы пружиной:

Для культурной напрессовки самого конуса предлагается специальная оправка:

Оправка для снятия нижнего конуса рулевой: