Конструктивные и эксплуатационные свойства мотоциклов
Особенности мотоциклов
Огромное
количество людей управляет автомобилями. В отличие от водителей
предыдущего поколения они не прошли по пути «велосипед — мопед —
мотоцикл — мотоцикл с коляской — автомобиль», а сразу приобрели машину
и научились (хорошо или не очень) ею управлять. Подчас смутно
представляя, что такое мотоцикл, они считают, что всегда смогут без
труда на него пересесть. Отчасти это верно в отношении стратегии
поведения на дороге и умения слышать двигатель и обращаться с ним.
Однако между автомобилем и мотоциклом имеются существенные различия,
которые требуют особых знаний и навыков:
мотоцикл меньше по габаритам, а значит, его труднее заметить в транспортном потоке;
у мотоцикла два колеса, на нем необходимо удерживать равновесие, он менее устойчив;
при езде на мотоцикле водитель использует не только органы управления, но и активно перемещает свое тело, руки и ноги;
мотоцикл более зависим от силы ветра и дефектов дорожного покрытия;
водитель мотоцикла практически не защищен от дождя, ветра, холода и жары. Перечисленные различия объясняют, почему обучение управлению мотоциклом отличается от обучения вождению автомобиля.
Общая
концепция мотоцикла не изменилась с момента его изобретения Готлибом
Даймлером в 1885 г.: водитель сидит над бензиновым ДВС и управляет
передним колесом. Существует несколько классификаций современных
мотоциклов (рисунок ниже). В зависимости от назначения и совокупности
конструктивных признаков можно выделить: стандартные (классические)
мотоциклы, круизеры (чопперы, кастомы), спортбайки, туристские
мотоциклы, мотоциклы двойного назначения (в просторечии эндуро),
мотоциклы специального назначения, спортивные, мотовездеходы (трех- и
четырехколесные), мотороллеры (скутеры). Кроме того, некоторые
мотоциклы могут оснащаться боковым прицепом (коляской). Эта
классификация весьма условна, поскольку все чаще создаются
мотоциклы-гибриды, сочетающие в себе признаки разных классов.
Характеристики мотоциклетных двигателей
Любой
мотоцикл состоит из двигателя, ходовой части, трансмиссии (силовой
передачи), органов управления и дополнительного оборудования. Двигатель
превращает тепловую энергию, выделяющуюся при сгорании топлива, в
механическую.
На мотоциклах применяются двигатели внутреннего
сгорания двух видов — четырехтактные и двухтактные. Протекание у них
рабочего процесса и конструкция деталей несколько различаются. Подробно
их принцип работы и особенности конструкции рассмотрены в руководствах
по устройству мотоцикла. С точки зрения управления мотоциклом различия
между видами двигателей могут почувствовать лишь опытные водители.
К основным характеристикам двигателей относятся мощность и крутящий момент.
Мощность
— это отношение полезной работы, совершенной двигателем, ко времени, в
течение которого она была совершена. Мощность прямо пропорциональна
частоте вращения коленчатого вала и среднему давлению газов в цилиндрах
(цилиндре) двигателя. Давление с ростом частоты вращения несколько
снижается, поскольку уменьшается продолжительность циклов в цилиндре и
ухудшаются условия их протекания, увеличиваются различные потери.
Поэтому кривая зависимости мощности от частоты вращения коленчатого
вала имеет максимум, после которого мощность падает.
Теоретически
мощность двухтактных двигателей по сравнению с четырехтактными равных
рабочих объемов должна быть в два раза выше: полезная работа в первых
совершается один раз за оборот кривошипа, а не за два. Реально же это
превышение составляет 1,5–1,7 раза вследствие больших потерь при
реализации двухтактного цикла. Несмотря на такое превосходство, сегодня
происходит вытеснение двухтактных двигателей четырехтактными, как более
экологичными.
Другое важное понятие в теории двигателей —
крутящий момент, который пропорционален среднему давлению газов в
цилиндрах двигателя.
Пример протекания характеристик мощности Ne и крутящего момента Мк в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя
а — допустимая зона; б — оптимальная; в — дискомфортная
Протекание
характеристик мощности и крутящего момента в зависимости от частоты
вращения коленчатого вала двигателя, а также их максимальные значения
играют существенную роль в формировании динамических показателей
мотоцикла. Эти показатели различаются не только у двигателей разных
видов (двух- или четырехтактных) и рабочих объемов, но и зависят от
большого числа конструктивных особенностей. Собственно, в
совершенствовании систем двигателей, изменении соотношений размеров
основных деталей, применении новых материалов, топлив и смазок и
состоит прогресс в развитии мотоциклетных двигателей. На основе
полученных характеристик двигателя (мощности и крутящего момента),
конструкторы проектируют трансмиссию и другие системы. В результате
этого каждый мотоцикл приобретает свой неповторимый «характер», что
несколько корректирует технику вождения.
Силы, действующие на мотоцикл. Активная и пассивная безопасность
Во
время движения на мотоцикл действуют силы сопротивления, вызванные
трением качения, потоком встречного воздуха, а при разгоне и торможении
еще и сила инерции. При движении в гору к перечисленным силам
добавляется сила сопротивления, являющая собой проекцию веса мотоцикла
на ось, совпадающую с направлением движения. Способность мотоцикла
преодолевать эти силы сопротивления зависит в первую очередь от
мощности двигателя. Кроме того, имеют значение механический КПД
трансмиссии и ее передаточное отношение, лобовая площадь мотоцикла с
водителем, коэффициент сцепления шины с дорогой, масса и моменты
инерции вращающихся деталей и мотоцикла в целом.
Силы, действующие на мотоцикл во время движения
Y1 , Y2 — вертикальные реакции переднего и заднего колес; X1 — результирующая сила сопротивления; X2 — сила тяги; Mк — крутящий момент на колесе; G — вес мотоцикла с водителем
Различают
сухой вес мотоцикла — без топлива, масла, инструмента, и полный вес — с
топливом, маслом и инструментом. Под полной нагрузкой понимают вес
водителя, пассажира и груза. При рассмотрении устойчивости мотоцикла
принимают, что вес мотоцикла приложен в центре его тяжести, а
вертикальные реакции, уравновешивающие этот вес, — в точках контакта
колес с дорогой. Центробежная сила, возникающая при повороте мотоцикла,
прикладывается к центру тяжести.
Помимо габаритных размеров
мотоцикла (длины, ширины и высоты) влияние на его поведение на дороге
оказывает база (расстояние между точками касания дороги колесами), угол
наклона рулевой колонки (у дорожных мотоциклов около 60°). За счет
того, что ось рулевой колонки расположена не вертикально, точка
пересечения ее с дорогой оказывается смещенной от точки касания
поверхности колесом. Расстояние между названными точками называется
вылетом передней вилки, и этот параметр оказывает существенное влияние
на поведение мотоцикла при поворотах.
Основные параметры мотоцикла
an — угол наклона оси рулевой колонки; AB — вылет передней вилки; L — база мотоцикла; G — вес мотоцикла; h, b — координаты центра тяжести; 1 — ось рулевой колонки
Высота
седла тоже имеет значение с точки зрения управляемости, так как она
влияет на расположение общего центра тяжести (водителя и мотоцикла). У
трех- и четырехколесных мотоциклов к перечисленным геометрическим
параметрам добавляется колея. Управляемость мотоциклов с боковым
прицепом зависит от положения оси бокового колеса относительно оси
заднего. У мотоциклов для бездорожья (в том числе четырехколесных)
большое значение имеет дорожный просвет — расстояние от нижней части
мотоцикла до дорожного полотна.
Помимо придания мотоциклу
качеств устойчивости и управляемости разработчики закладывают в его
конструкцию свойства активной и пассивной безопасности.
Средства
активной безопасности позволяют снизить вероятность аварии путем
активных действий водителя. Активную безопасность мотоцикла повышают
высокая удельная мощность двигателя, эффективность работы подвесок и
тормозов, максимальный коэффициент сцепления шин с дорогой при любом
типе покрытия и его состоянии, хорошая освещенность фарой дороги
впереди, удобство расположения органов управления и контрольных
приборов, удобство посадки и управления. Яркая, броская одежда водителя
и окраска мотоцикла, блокировки (у многих мотоциклов) пуска двигателя
при включенной передаче или невозможность тронуться с неубранным
боковым упором — также средства активной безопасности.
Пассивная
безопасность — это свойства конструкции мотоцикла и экипировки,
предотвращающие или снижающие тяжесть травм водителя, пассажира и
других участников движения после того, как авария уже произошла. У
мотоциклов арсенал средств пассивной безопасности меньше, чем у
автомобилей. Здесь пассивную безопасность повышает отсутствие на
внешней поверхности острых выступов, углов, кромок (например, шарики на
рычагах тормоза и сцепления), наличие энергопоглощающих накладок,
надежное закрепление груза, способность зеркал заднего вида
деформироваться и обламываться без образования острых выступов и
осколков.
Устойчивость мотоцикла
Устойчивостью
называется способность мотоцикла во время движения при небольшом
внешнем воздействии (от неровностей дороги, порыва ветра и т. п.)
сохранять заданное водителем направление. При неустойчивом движении
мотоцикла руль начинает рыскать из стороны в сторону. Хороший критерий
устойчивости — возможность езды «без рук», что на правильно
сконструированном и отрегулированном мотоцикле не представляет труда
даже для начинающего водителя.
Устойчивость двухколесного
мотоцикла связана с движением — он не может стоять на месте сам, как
трех- и четырехколесный мотоцикл или автомобиль (речь не идет об
использовании подставки). На малых скоростях устойчивость мотоцикла
зависит от опыта водителя и техники управления. С повышением скорости
конструкция исправного мотоцикла сама обеспечивает устойчивость
движения за счет действия так называемого гироскопического эффекта.
Гироскопом
называют всякое твердое тело, имеющее форму тела вращения, ось вращения
которого совпадает с осью симметрии. Наиболее мощные гироскопы на
мотоцикле — колеса с шинами.
Поворот на мотоцикле-одиночке — это
всегда сочетание нескольких режимов, в которых водителю приходится
действовать не только рулем, но и «газом», тормозами и при этом
наклонять тело вместе с мотоциклом на определенный угол. Невозможно
пройти поворот с зафиксированными органами управления. Рассмотрим
поворот мотоцикла, движущегося по дуге окружности с постоянной
скоростью. Что происходит при повороте?
Если поворачивать руль,
не нарушая вертикального положения мотоцикла, из-за вылета передней
вилки пятно контакта шины сместится относительно продольной оси и
центра тяжести. Вследствие этого появится сила, которая стремится
наклонить мотоцикл в сторону поворота (момент этой силы называют
опрокидывающим).
Смещение пятна контакта шины из-за вылета передней вилки
B — точка касания колеса поверхности дороги при движении прямо; B1 — точка касания колеса при повороте руля; A — точка пересечения продолжения оси рулевой колонки с поверхностью дороги; AB — вылет передней вилки
Когда
водитель поворотом руля задает отличную от прямой траекторию и мотоцикл
начинает двигаться по ней, появляется центробежная сила. Если ей ничего
не противопоставить, она опрокинет мотоцикл в сторону, противоположную
повороту. Момент, вызванный действием центробежной силы, называется
удерживающим.
При движении с малой скоростью центробежная сила,
зависящая от квадрата скорости, настолько мала, что компенсируется
эффектом смещения центра тяжести (из-за вылета вилки). Таким образом,
плавно повернуть на малой скорости можно без наклона мотоцикла. С
возрастанием скорости центробежная сила увеличится, и для ее
компенсации мало эффекта смещения центра тяжести, потребуется
дополнительный наклон мотоцикла.
Силы, действующие на мотоцикл-одиночку при повороте
Y — вертикальная составляющая опорной реакции колеса; Z — поперечная составляющая опорной реакции колеса; R1 — результирующая опорной реакции колеса; Rz — результирующая центробежной силы и веса мотоцикла; G — вес мотоцикла с водителем; Pc — центробежная сила; b — угол наклона мотоцикла
Задача
мотоциклиста сводится к тому, чтобы своими действиями вовремя сочетать
влияние удерживающего и опрокидывающего моментов, создавая желаемую
траекторию и скорость. Ограничивает предельную скорость сцепление
покрышек с дорогой или грунтом. Как только центробежная сила, зависящая
от радиуса поворота и скорости, превысит силу сцепления шин с землей,
мотоцикл с водителем уйдет на больший радиус и потеряет устойчивость.
То есть произойдет падение.
Если у вилки большой вылет (круизер
или самодельный чоппер), то при небольшом повороте руля пятно контакта
шины с дорогой смещается в сторону от оси на большую величину, чем у
обычных мотоциклов. Поэтому вес, приложенный к центру тяжести, создает
больший опрокидывающий момент, направленный в сторону поворота.
Различие величины вылета вилки АВ у дорожного мотоцикла (а) и круизера (б)
На
поведение мотоцикла в повороте оказывает влияние и гироскопический
момент: он стремится повернуть переднюю вилку в сторону крена. Это
явление имеет важное значение для управления мотоциклом.
Влияние гироскопического момента на движение мотоцикла в повороте
Повлиять
на гироскопические моменты мотоциклист почти не может, если не считать
возможности замены легких шин на тяжелые — чем тяжелей колесо, тем
сильнее вызываемый им стабилизирующий эффект, в результате устойчивость
мотоцикла несколько улучшится. Однако при этом ухудшатся другие важные
показателя мотоцикла: динамика разгона и торможения, способность
быстрого маневрирования, повысится расход топлива. Амортизаторы будут
не в состоянии справляться с увеличившейся нагрузкой и возрастет
тряска, а значит, снизится и устойчивость.
На практике
устойчивость мотоцикла-одиночки в значительной степени определяется его
исправностью. Ничто не должно мешать равномерному повороту руля. Даже
небольшое заедание в подшипниках способно ухудшить управляемость. Ведь
чем туже поворачивается руль, тем труднее совершать им точные движения.
Если руль двигается скачками, то из-за этого мотоцикл будет «рыскать»
из стороны в сторону. У мотоциклов с солидным пробегом могут быть
изношены рулевые подшипники. Устойчивость заметно ухудшается, если
мотоцикл утрачивает свою одноколейность, когда заднее колесо не идет
строго по следу переднего. Такая неисправность возникает из-за
неправильной регулировки натяжения цепи, при деформациях рамы, вилки
или маятника. Возможна она и после неумело проведенного ремонта колес.
Устойчивость снижает также неправильная (асимметричная) загрузка или
боковой ветер.
Потеря мотоциклом одноколейности
Наклон мотоцикла для компенсации асимметричности загрузки
Важно
запомнить, что устойчивость движущегося мотоцикла-одиночки во многом
зависит от водителя. Чем больше его ездовая практика и правильнее
приемы управления, чем лучше развиты органы зрения и вестибулярный
аппарат, тем выше может быть безопасная скорость управляемого им
мотоцикла. Мотоциклы трехколесные (в том числе с боковым прицепом) и
четырехколесные обладают статической устойчивостью (плоскость задается
тремя точками): трех колес (а четырех тем более) достаточно для
устойчивости при остановках. Более устойчивы такие мотоциклы и при
движении по скользким дорогам.
У мотоциклов с боковым прицепом в
результате действия силы сопротивления качению бокового колеса при
движении по прямой возникает момент относительно точки касания заднего
колеса с дорогой, который стремится повернуть мотоцикл в сторону
прицепа. Для компенсации этого момента боковое колесо устанавливают
таким образом, что оно повернуто на небольшой угол (2–5°) в сторону
передней части мотоцикла. Это заставляет боковое колесо катиться с
боковым проскальзыванием, но уменьшает момент, который стремится
повернуть мотоцикл. Кроме того, мотоцикл устанавливают с наклоном от
прицепа на 2–5°, что вызывает появление момента силы тяжести
относительно оси рулевой колонки, также противодействующего повороту
мотоцикла. При правильно выбранных углах, первый из которых называют
углом сходимости, а второй — углом развала, мотоцикл может двигаться по
ровной дороге «без рук».
Углы установки колес мотоцикла с коляской
Движение
трех- и четырехколесных мотоциклов на повороте отличается от движения
мотоцикла-одиночки. Они не могут наклоняться в сторону поворота,
поэтому во время поворота происходит значительное перераспределение
нагрузки между колесами. Для мотоцикла с боковым прицепом при повороте
вполне возможно такое положение, когда одно из внутренних (относительно
поворота) колес полностью освободится от вертикальной силы. В этом
случае, если водитель не примет экстренных мер, произойдет
опрокидывание мотоцикла вокруг оси, проходящей через точки касания
наружных колес с дорогой.
При увеличении колеи повышается
устойчивость трех- и четырехколесных мотоциклов против опрокидывания
как для левого, так и для правого поворотов. Снижение высоты центра
тяжести увеличивает устойчивость при поворотах в обе стороны. У
мотоциклов с боковым прицепом смещение оси бокового колеса вперед
относительно оси заднего колеса увеличивает устойчивость при повороте в
сторону бокового прицепа. Величина этого смещения обычно находится в
пределах 100–250 мм.
При прохождении поворотов на трех- и
четырехколесных мотоциклах водитель, не имея возможности наклонять сам
мотоцикл, может влиять на положение центра тяжести, смещая свое тело. В
этом заключается различие между техникой управления автомобилем и трех-
и четырехколесными мотоциклами. Для повышения устойчивости мотоциклов с
боковым прицепом и четырехколесных против опрокидывания опытные
водители в гонках используют такие приемы езды, при которых их вес
(особенно пассажира коляски) переносится внутрь поворота, увеличивая
тем самым реакцию на внутреннее колесо.
На устойчивость
мотоцикла с боковым прицепом на повороте в сторону, противоположную
коляске, оказывает влияние сила инерции, которая возникает во время
разгона или торможения. Торможение способствует опрокидыванию, так как
сила инерции, возникающая при торможении, направлена вперед и,
складываясь геометрически с центробежной силой, дает равнодействующую,
увеличивающую опрокидывающий момент вокруг оси, проходящей через точки
касания с дорогой переднего колеса и колеса коляски. Ускорение
уменьшает вероятность опрокидывания, но способствует возникновению
заноса.
Таким образом, величина допускаемого радиуса поворота и
скорости движения для мотоцикла с боковым прицепом, как и для
мотоцикла-одиночки, зависит от коэффициента трения между шиной и
дорогой при боковом скольжении.
По-иному движется мотоцикл с
механизмом привода к колесу бокового прицепа. В этом случае
увеличивается устойчивость против заноса и улучшается управляемость.
Тяговая сила на третьем колесе уменьшает стремление мотоцикла к
повороту в сторону бокового прицепа. Улучшается и проходимость
мотоцикла.
Выбор мотоцикла
Выбор
мотоцикла — второй по значимости шаг после решения стать мотоциклистом.
От него зависит не только безопасность (своя и окружающих), но и то,
будете ли вы получать удовольствие от езды. А это, по большому счету,
самое важное.
При выборе мотоцикла нужно определиться:
для каких целей приобретается мотоцикл; какой тип езды будет свойственен вашему характеру; что ожидается от мотоцикла: комфортабельность, проходимость, внешний вид, динамика или топливная экономичность; можете ли вы по своим физическим данным совладать с приобретением. Трудно
управлять мотоциклом, который слишком высок или тяжел. Достаете ли
обеими ногами до земли, когда сидите на сиденье? Если нет, машина
слишком высока и управление ею будет затруднено. Кроме того, мотоцикл
должен быть достаточно легким, чтобы водитель мог его поставить на
центральную подставку, толкать вперед или назад при развороте, легко
припарковать. На тяжелом мотоцикле затруднительно проехать «восьмерку»
на малой скорости без потери равновесия. По крайней мере, для этого
нужен опыт. И чем тяжелее машина и мощнее двигатель, тем больше опыта
требуется от водителя.
Следует также решить для себя, на каком
мотоцикле предстоит обучаться основам управления, перед сдачей экзамена
на права. Проще всего воспользоваться услугами мотошкол, в которых есть
не только классы с наглядными пособиями и опытные преподаватели, но и
учебные мотоциклы. Такие мотоциклы лучше всего подходят для обучения
базовым навыкам вождения и сдачи экзаменов.
Каталог статей
