Устойчивость, управляемость и как ими пользоваться

(мото 0б/94 16)

Что же такое устойчивость? Когда кто-то хвастает: «Тачка стоит на шоссе классно!» — мы и не думаем, что хвалят дачную тачку для транспортировки навоза, а молниеносно соображаем: это — о мотоцикле. И отнюдь не о способности его стоять на подставке! Жаргон точен, для сомнений места не оставляет. Но заглянуть в умную книгу все же не вредно.

Итак... «Способность мотоцикла сохранять во время движения направление, заданное водителем, и положение относительно дороги называется устойчивостью».

Тут так и подмывает кого-то спросить: если ты закрепишь руль жестко, будет «ИЖ» (ММВЗ, BMW...) устойчив? Ты же ему поможешь сохранить направление!

Ладно, не будем торопить события. Всех нас угораздило родиться в трехмерном мире, — как ни мудри, от трех координатных осей — продольной, вертикальной и поперечной — никому из нас убежать не суждено. Остается жить в их сетях... Они, между прочим, равноправны, а поэтому и мотоцикл должен быть устойчив по отношению ко всем трем. Значит, он не должен никуда сворачивать, не должен ложиться на бок, не должен опрокидываться вперед или назад.

Здесь мы будем говорить об устойчивости относительно продольной и вертикальной осей. И каждому, конечно же, хочется, чтобы эти свойства машины сохранялись не только на ровной дороге, но и на любой другой.

Какие требования предъявляем мы к мотоциклу, например, на повороте? Если скорость, угол наклона, радиус траектории друг с другом согласованы и постоянны, устойчивый мотоцикл легко сохраняет эти параметры движения, а при их изменениях ведет себя логично, «как надо».

Например, на повороте упала скорость,— равновесие могло бы нарушиться, но руль сам начнет поворачиваться внутрь поворота, уменьшая радиус траектории и приводя действующие силы к равновесию. В то же время опытный водитель знает, что для устойчивого мотоцикла, пожалуй, характерно некоторое нежелание выходить из установившегося режима движения, сопротивление слишком резким движениям руля.

В реальной жизни поворот — это всегда сочетание нескольких режимов,— уже хотя бы потому, что радиус траектории должен измениться от бесконечно большого до какого-то минимального, а потом вновь увеличиться до бесконечного. Значит, мотоциклисту на повороте приходится действовать и газом, и тормозами, и рулем,— пройти успешно поворот с зафиксированными органами управления невозможно.

В особой цене вышеозначенные качества мотоцикла у всякого, кому доводится ездить по хорошим горным трассам,— когда покрытие шоссе соблазняет дать газу побольше, а многочисленные виражи этому мешают. Тут устойчивая машина — половина успеха, братцы туристы.

Для наших моторизованных ветеранов устойчивость мотоцикла — это синоним такого понятия, как «ИЖ-49». Впрочем, мотоцикл, с этой точки зрения, действительно был что надо. На сельских, отнюдь не самых гладких, дорогах он позволял совершать чудеса. Бывало, доярки, свинарки, огородницы, учетчицы просто млели, завидев на горизонте характерное облако пыли,— через минуту из него вынырнет первый парень на деревне и, приметив зрителей, выполнит обычную программу,— то есть отпустит руль, достанет портсигар, вынет «беломорину», закурит, угостит пассажира, а «ИЖ», деловито стрекоча, пронесет их мимо... Шикарная, прямо скажем, картина! Рытвины, кочки, собаки, свиньи на дороге — ну все, все «ИЖу-49» нипочем!

Итак, устойчивость двухколески связана с движением, это факт. Спросите любого четырехлетнего ребенка, он вам объяснит! Остановившись, двухколесный «велик» стоять не может, падает. Правда, иной читатель тут может нас «уесть» таким доводом,— я, мол, видел соревнования по триалу,— там мотоциклист запросто сохраняет равновесие, стоя на месте, ног не опуская, а вы мне тут голову морочите! А мы ему свой довод: не пора ли научиться отделять мух от котлет?
То, что ты видел, объясняется талантом спортсмена, его ловкостью, а не противоестественными
свойствами мотоцикла. Их нет. Мотоцикл для триала сам по себе, без движения, на двух точках опоры тоже не стоит.

Когда мотоцикл движется с малой скоростью, устойчивость обеспечивается преимущественно непрерывным маневрированием,— строго говоря, мотоцикл, двигаясь по прямому шоссе, выписывает на нем совсем не прямую траекторию,— она тем ближе к прямой, чем выше точность управления. Изображая пьяницу за рулем, карикатуристы справедливо показывают след машины в виде широкого зигзага. Это, понятно, другая крайность, показывающая, что самочувствие человека никудышное. Точно так же иной раз едет и попросту больной водитель,— не зря же это запрещено правилами?!

Словом, устойчивость двухколески на малых скоростях чрезвычайно сильно зависит от личных качеств водителя. А с повышением скорости?

Кто-то однажды сказал: с высокой скоростью по прямой улице и дурак (ах, простите!) проедет.
Именно так и получается, только мотоциклу не мешай. Конструкция, если машина исправна, сама
обеспечивает стабилизацию, устойчивость на высоких скоростях.

Думается, одним из важнейших для транспортной техники изобретений после появления на земле колеса историки когда-нибудь признают такую штуку, как поворот переднего управляемого колеса велосипеда или мотоцикла вокруг не вертикальной, а наклонной оси. Это решение оказалось, без преувеличений, почти гениальным!

рис.1. Силы, действующие на мотоцикл. Обозначения:

ЦТ - центр тяжести;

С - центр тяжести группы деталей передней вилки;

G - общий вес мотоцикла с водителем;

Gb - вес группы деталей передней вилки;

Y1 и Y2 - вертикальные реакции на колесах;

X1 и X2 - продольные реакции на колесах

Хотите убедиться? Давайте начертим схематически наш мотоцикл, без формул и графиков, попроще (рис. 1).
Здесь GB — вес группы деталей, которые при повороте руля вращаются как целое вокруг оси рулевой колонки,— равнодействующая сил веса вилки, фары и т. д. сосредоточена в точке «С» — обычно несколько впереди оси поворота. Полный вес машины приложен в точке «Ц.Т.» (центр тяжести),— их величину и положение определяют вертикальные реакции Y1 и Y2 на колесах. Ясно, что сумма этих реакций численно равна полному весу. Теперь заметьте, что сила Y1 приложена к колесу в точке «В» контакта (точней, это центр пятна контакта шины), смещенной существенно назад относительно точки «А» пересечения оси рулевой колонки с поверхностью дороги. Расстояние между этими точками — это так называемый вылет вилки.

Силы X1 и Х2 — продольные реакции на колесах при прямолинейном движении мотоцикла.

Что дает нам вылет вилки? Если начать наклонять мотоцикл при положении руля «прямо», силы
Y1 и Gb, выйдя из плоскости симметрии мотоцикла, вынуждают вилку повернуться в сторону наклона. Именно этому каждого из нас когда-то учили, впервые посадив на двухколесный велосипед:«руль крути туда, куда он наклоняется!»

Сейчас, когда кто-то додумался оснастить велосипед малыша дополнительными колесиками с боков, это лишь отдаляет тот счастливый день, когда ребенок, поехав на двух колесах, ощутит красоту свободного движения! Что поделаешь,— когда толпы граждан стояли в очереди за умом, некоторые «конструкторы» побежали в очередь за пивом. Доказано ведь: малыша четырех лет от роду научить ездить на двухколеске можно в считанные минуты.

Что еще происходит при наклоне мотоцикла? Обратите внимание на следующий эффект: так как шины имеют определенный профиль сечения и ширину, при наклоне мотоцикла пятно контакта смещается от плоскости симметрии в сторону наклона,— если при наклоне опрокидывающая и выравнивающая силы сбалансированы, увеличение ширины шины заставляет дополнительно увеличивать наклон (см. рис. 2).

рис.2. Влияние ширины шины на потребный наклон мотоцикла из-за смещения пятна контакта. Мотоцикл на широких шинах требует большего наклона на повороте, при ассиметричной нагрузке, боковом ветре.

А что будет происходить, если вы станете поворачивать руль, не нарушая вертикального положения мотоцикла?

Во-первых, пятно контакта передней шины смещается в сторону, противоположную повороту, линия, соединяющая оба пятна контакта, смещается относительно центра тяжести,— и тут уж появится сила, стремящаяся наклонить мотоцикл в сторону поворота, помогающая водителю.

Во-вторых, поворот вилки означает переход к движению по криволинейной траектории,— значит, появится соответствующая этому центробежная сила. Если ей ничего не противопоставить, она опрокинет мотоцикл в сторону, противоположную повороту. Чтобы избежать этого, мотоцикл наклоняют в сторону поворота. Как эти эффекты ладят между собой?

Если ехать с самой малой скоростью, центробежная сила, зависящая от квадрата скорости,
настолько мала, что компенсируется эффектом номер один,— плавный поворот на малой скорости
выполняется практически без наклона мотоцикла. Напротив, с ростом скорости центробежная сила
настолько возрастает,что для ее компенсации не только эффекта номер один мало, но требуется еще и большой дополнительный наклон мотоцикла. Последний еще больше вырастает из-за влияния на эту картину сил профиля шины и ее ширины.

рис.3. Смещение пятна контакта передней шины как результат работы вылета вилки во время ее поворота.

Увеличение вылета вилки усиливает эффект номер один (рис. 3), в то же время сильно наклоненная вилка уменьшает эффективность управления за счет непосредственного поворота колеса (вообразите для ясности, что вилка поворачивается вообще вокруг продольной оси,— что получится?!),— значит, при повороте вилки здесь центробежная сила нарастает не так резко. Иными словами, от компоновки мотоцикла зависит соотношение сил, влияющих на его устойчивость и... на наши ощущения. Как вам известно, некоторые мотоциклы на Западе имели и имеют наклон вилки гораздо больше нам привычного, а спрос, как известно, определяет предложение. У этих мотоциклов-монстров немало горячих поклонников,— подобная компоновка, нанося явный ущерб управляемости машины, делает процесс ее стабилизации на высоких скоростях исключительно плавным. По отзывам некоторых искушенных мотоциклистов, такая машина чуть ли не сама входит в нужный вираж,— только покажи ей рулем нужное опять-таки направление!

Неплохо?!

Вдумайтесь, как мы действуем, выполняя поворот. Например, влево. На входе в поворот мы сначала наклоняем мотоцикл, а затем уже поворачиваем руль, создав центробежную силу, которая «подхватывает» машину, не давая ей упасть. А не наоборот!

Многие именно так и ездят,— особенно те, кто не любит резкой, со спортивным азартом, езды.
Ездят, а над «нюансами» не задумываются,— ни к чему. Но этот способ прохождения поворота,— простите! — далек от «высшего класса» пилотажа. Если потребуется-таки резкий, очень резкий маневр, а мотоцикл тяжел, а наш «эсэнгешний» водитель имеет жокейскую комплекцию, наклонить мотоцикл при помощи собственного тела удастся нескоро,— можно и не успеть! И что? Авария?

Зачем же! Давно изобретен способ управления, позволяющий резко маневрировать даже на тяжелом мотоцикле-одиночке,— его очень не любят нервные зрители и пенсионеры за «лихость», однако эффективности ему не занимать.

Допустим, мы снова приближаемся к левому повороту,— пройти его надо резче. В этом случае непосредственно перед поворотом (момент этот определяется опытом, тренировкой) руль на мгновенье поворачиваем на малый угол (опять-таки из опыта!) вправо — тотчас возникнет центробежная сила, пропорциональная массе мотоцикла с водителем, а потому даже жокей запросто «свалит» тяжелый мотоцикл влево. Руль в это же мгновенье поворачиваем уже влево, меняя направление центробежной силы на противоположное,— и вот достигнуто условие прохождения поворота, то есть машина движется по заданной кривой, а опрокидывающий и восстанавливающий моменты друг друга уравновешивают, как им и положено на устойчивом мотоцикле.

Самое первое движение руля перед поворотом называют «контрсмещением», оно позволяет очень резко менять углы наклона мотоцикла,— например, в ходе гонки, практически вне какой-либо зависимости от собственной массы мотоцикла, не считая усилий на руле, конечно.

Как видите, мотоцикл с большим наклоном вилки — не для тех, кто любит резкую езду, с энергичными маневрами. Есть у этой «медали» и оборотная сторона — на реальных дорогах, в условиях напряженного уличного движения большинство из нас предпочтет мотоцикл нормальной, классической компоновки, с углом наклона оси вилки около 30° от вертикали. Это обеспечивает оптимальные характеристики машины в плане ее устойчивости и управляемости (а эти два понятия очень часто входят друг с другом в противоречие). С этой точки зрения вечные споры наших
«ижистов», «явистов» или «паннонистов» абсолютно беспочвенны, запасы устойчивости и управляемости наших дорожных мотоциклов примерно одинаковы.

Итак, что же будет с мотоциклом, если при прямолинейном устойчивом движении его отпустить на свободу? Если скорость не слишком велика (эффект стабилизации за счет гироскопических эффектов колес несущественный), мотоцикл в конце концов начнет валиться в какую-то сторону. Например, снова влево. Но тотчас в дело вступит механизм самостабилизации за счет вылета вилки,— переднее колесо довернется на какой-то угол в сторону наклона, появится центробежная сила, возвращающая мотоцикл к вертикали... Если дорога ровная, а мотоцикл идеально отрегулирован, эти случайные отклонения настолько хорошо самоликвидируются, что такая самостоятельная езда может быть довольно успешной на горе окружающим.

Если механизмы мотоцикла работают не так четко, его отклонения в ту или другую стороны могут быть большими, вплоть до того, что падение произойдет почти сразу. Например, машина валится влево, затем с запозданием резко возвращается к вертикали, после чего по инерции валится уже вправо, потом снова возвращается к вертикали... Процесс может прогрессировать,— отклонения от раза к разу сильнее, пока машина не ляжет на бок.

А в общем, наш земной шар не настолько гладок, чтобы самый идеальный мотоцикл мог самостоятельно ехать до исчерпания бензобака! Да и не к чему нам с вами это.

Итак, поворот передней вилки около наклонной оси чрезвычайно важен, если говорить об устойчивости мотоцикла. Но вся связанная с ним «автоматика» восстановления равновесия может отказать из-за некоторых неисправностей.

На мотоцикле-одиночке ничто не должно мешать плавному, равномерному повороту руля, даже небольшое заедание в подшипниках способно заметно ухудшить устойчивость. Чем более туго вращается руль, тем труднее делать им точные, «ювелирные» движения — он поворачивается скачками,а мотоцикл, естественно, рыскает в стороны.

Привычные нам демпферы сухого трения, приспособленные для езды с боковым прицепом (да-бы такая машина меньше раскачивалась на ходу вокруг вертикальной оси), на мотоцикле-одиночке не то, что бесполезны, а скорей — вредны, так как создают трение в рулевом управлении. Давно применяющиеся на многих мотоциклах западных стран специальные гидродемпферы избавлены от такого недостатка, однако у нас мало кому известны.
Остается лишь снова и снова разводить руками! А ведь они позволяют получить нужные характеристики мотоцикла,— не мешая медленному повороту руля, препятствуют резким рывкам, например, на неровностях дороги.

Чем еще «болеют» системы управления наших мотоциклов? Очень распространен такой дефект (особенно на мотоциклах с солидным пробегом) — износ колец подшипников руля. Беда в том, что шарики при работе откатываются от своих средних положении на небольшое расстояние, в результате чего со временем на дорожках качения появляются углубления, куда шарики стремятся вкатиться в полном соответствии с законами физики. И что же? При глубине таких «лунок» в несколько сотых миллиметра руль уже начинает в каких-то положениях заедать, едва лишь вы попробуете слегка подтянуть его гайку. Перетянешь гайку — мотоцикл становится похожим на норовистого мустанга и несет туда, куда ему удобней. Недотянешь — ехать противно из-за стуков. Вот и выбирай...

Устойчивость мотоцикла-одиночки легко нарушить также в случае, если он по какой-либо причине утрачивает свою одноколейность,— иными словами, если заднее колесо не идет строго по следу переднего. Часто это бывает результатом неумелой или небрежной регулировки натяжения цепи, если при этом нарушается положение плоскости вращения заднего колеса относительно рамы.

Что при этом получается? Взгляните на рис. 4,— ясно, что мотоциклисту — так или иначе! — приходится ехать. Значит, если это — прямолинейное движение, то колеса, строго говоря, идут каждое по своей колее, но ведь рама-то, позвольте, не резиновая. Значит, в этом случае передняя вилка должна быть повернута на некоторый угол, плоскость рамы мотоцикла тоже повернута под определенным углом к направлению движения,— в конечном счете переднее колесо с вилкой оказываются несколько наклонены в сторону,— значит, неизбежно вступит в действие рассмотренный нами механизм самовосстановления. Руль и вилка стремятся повернуться в сторону наклона, мотоцикл не устойчив. Ехать на нем можно (человек, как известно, к чему угодно привыкнет), но ценой тех или иных усилий. В общем, это не подарок водителю.

рис.4. "Двухколейность" мотоцикла как следствие неправильной установки колес, деформаций рамы, вилок и т.д.

Похожая картина получается при каких-то деформациях рамы, передней или задней вилок. Возможна она и после неумело проведенного ремонта колес, если при этом происходила их разборка и сборка,— например, с целью замены спиц, барабана и т. п. Кто-то, возможно, нас спросит: «Ну, а тут-то в чем можно напортачить?!»

рис.5. К вопросу о правильной сборке колеса.

Запросто можно. Мы и сами когда-то это «проходили». Перед разборкой колеса надо непременно замерить расстояние «а» (см. рис. 5), а при сборке его, как ни трудно этого добиться, нужно достигнутьне только минимального биения обода в осевом и радиальном направлениях, но и правильного его положения по отношению к барабану, определяемого замеренной величиной «а». Иначе потом, когда вы поставите колесо на мотоцикл, шина окажется смещена от плоскости симметрии в сторону,— тогда уж хорошей устойчивости вы вряд ли дождетесь.

Устойчивость мотоцикла зависит также от того, как он нагружен. Здесь можно говорить о разных
факторах, с этим связанных. Иной раз сама посадка водителя не способствует повышению
устойчивости,— кто-то, например, любит сидеть асимметрично, чуть-чуть бочком! Изящно, даже красиво, если плюнуть на устойчивость. Физике же все равно...

рис.6. Крен при прямолинейном движении из-за ассиметричной нагрузки мотоцикла

Если мотоцикл нагружен асимметрично,— например, перевешивает правый борт, как на рис. 6,
при прямолинейном движении наблюдается следующее. Действуют лишь вертикальные силы,
поперечных нет, продольные значения не имеют. Мотоцикл для сохранения равновесия
наклонен влево, ширина покрышек проявляется в том, что пятна контакта колес еще больше
смещаются в сторону наклона, заставляя больше наклонять и мотоцикл. Но вилка стоит прямо,
поэтому о смещении пятна контакта переднего колеса из-за ее вылета говорить не приходится,
его практически нет. (Малозначительными эффектами, связанными с неодинаковым профилем
шин, их частичным проскальзыванием, дополнительной деформацией и т.п., мы имеем
право пренебречь.)

Итак, силы Y1, Ya и G действуют не в плоскости симметрии мотоцикла, а посему передняя вилка
должна повернуться влево. Если ее освободить, отпустив руль, мотоцикл скорей всего привезет вас не
туда, куда вам хотелось. Он неустойчив. Даже не разбираясь в этих тонкостях, каждый ощущал
неустойчивость из-за асимметричной нагрузки — когда руль упорно «тянет» в одну сторону, не
позволяя и на секунду расслабиться.

Ярко выраженный пример такого рода — езда с поднятой коляской (для того, кто умеет, конечно). Тут все происходит как на мотоцикле-одиночке, чудовищно перегруженном с правой стороны. Каждый, кто так ездит, знает, какие усилия надо «удерживать» рулем.

Читатель ждет морали. Она проста. Всегда помнить о симметрии нагрузки! Даже, если с нею не хочет считаться ваша дама, предпочитающая сидеть «амазонкой»,— это, конечно, пикантно, но... просто опасно. Постарайтесь деликатно ей это разъяснить. Разумеется, главная опасность связана с
возможностью падения дамы на спину.