Геометрия велосипеда

Геометрия велосипеда — углы и размеры — определяет очень многое в поведении велосипеда. От неё зависит устойчивость, управляемость, проходимость (в хорошем смысле), динамика разгона, эффективное торможение, спуск с горы и подъём на оную, прохождение крутых виражей и возможность заниматься крутым экстримом. В стародавние времена геометрия велосипеда жестко и однозначно определялось геометрией рамы. Сейчас это уже не так. Появились подвески, передняя и задняя. А, значит, геометрия велосипеда и поведение байка зависят от характеристик подвесок (ход, жесткость, демпфирование), и от их настройки. Дабы не углубляться в дебри, а просто, окинуть, густой лес, небрежным взглядом знатока, рассмотрим основные моменты.

1. Геометрия велосипеда и угол наклона подседельной трубы

Во многом задаёт посадку байкера и удобство вращения педалей, — если труба торчит вертикально и каретка находится точно под седлом, то педалировать неудобно, некуда девать бедра. А так же определяет развесовку байка, то есть распределение нагрузки, на переднее и на заднее колёсо. Чем меньше угол наклона (он отсчитывается от горизонтали) и чем выше байкер, тем больше нагрузка на заднее колесо и, естественно, меньше на переднее. На крутом подъёме, если байкер сидит в седле, переднее колесо может полностью разгрузиться и потерять контакт с дорогой. И байкер рискует опрокинуться на спину. А на крутых спусках, все с точностью наоборот. Переднее колесо загружается, и чем дальше назад смещён байкер, тем устойчивее велосипед и тем меньше вероятность падения через руль. Считается, что угол наклона подседельной трубы, равный 73° (плюс, минус 1°…2°) обеспечивает правильную, удобную посадку и распределение нагрузки. Этот угол точно подобран для идеального байкера с длиной бедра 32 дюйма (813мм). Для дополнительной корректировки этого угла и подгонки байка к реальным габаритам рейдера (рост, длина рук и ног, …) можно заменить прямой подседельный штырь на изогнутый (Thomson). И, что ещё проще, можно сдвигать седло вперед или назад. При правильно установленном седле, нога в нижнем положении практически полностью распрямляется.

2. Высота каретки

Определяет клиренс велосипеда — зазор между педалью и дорогой, когда шатун опущен вертикально вниз. Слишком малый клиренс не позволяет сильно наклонять байк, при скоростном прохождении поворота — можно зацепиться педалью за камень, кочку, корень, ускоряясь на выходе из виража. Или задеть звездами системы за кочку. Поэтому, байки для разных стилей катания имеют разную высоту каретки над землёй, — для DH и фрирайда каретку поднимают повыше, до 34…36см. В качестве конкретного материала, имеется таблица №1, которую любезно предоставил Алексей Маджуга и, где, на примере велосипедов KONA показано как меняются размеры от назначения байка и стиля катания.

Примечание. В связи с явным прогрессом в устройстве и работе амортизационных вилок и задних амортизаторов и созданием «стабильных платформ», ход амортизаторов увеличился в последние годы и, вполне возможно, увеличится ещё больше.

Кроме того, чем выше расположена каретка, тем выше надо поднимать седло и, тем больше становится высота велосипеда и выше располагается центр тяжести системы байк + байкер. Что, несомненно, влияет на устойчивость и управляемость. На высоком байке проще сохранять равновесие, а при входе в вираж, угол наклона, необходимый для того, что бы скомпенсировать силой тяжести, силу центробежную, возникающую от движения по кругу (радиусу) будет МЕНЬШЕ, чем у низкого байка. Что следует из самой элементарной геометрии. Следовательно, на высоком велосипеде проще гонять по узким лесным синглтрекам и легче его «укладывать» в крутые виражи. То есть, ещё раз, для прохождения виража на данной скорости и по данному радиусу, высокий байк надо наклонять вбок на меньший угол, чем низкий. Но при торможении и спуске, картина получается обратной. На крутых подъёмах, спусках и при резком торможении передним тормозом, высокий велосипед имеет больше шансов потерять равновесие — опрокинутся назад или перевернуться через руль. Что бы уменьшить этот вредный эффект увеличивают базу велосипеда — расстояние между осями колёс. Заодно получают большую мягкость и плавность хода, байк меньше подпрыгивает на колдобинах, корнях и кочках. Но длиннобазный байк обладает большей курсовой устойчивостью и хуже вписывается в крутые виражи, что опять таки, следует из простой геометрии. Для улучшения управляемости и маневренности приходится «играть» с углом наклона рулевой трубы и уменьшать Trail (выкат переднего колеса).

3. Угол наклона рулевой трубы (отсчитывается от горизонтали)

Отметим только следующее. Чем больше этот угол, чем ближе к вертикали стоят перья вилки, тем быстрее разгоняется велосипед и тем лучше вилка отрабатывает мелкие торчки и неровности на дороге. И, наоборот, если угол меньше, а перья вилки расположены более полого (острее) к поверхности, тем хуже динамика и управляемость, но зато вилка легче проглатывает крупные колдобины и кочки и они меньше влияют на движение байка. В кросс-кантри угол рулевой обычно 71…69 градусов, а длина колесной базы — 100…107 см, то в DH — 64…65 градусов и 110…117 см. Смотри таблицу №1. Малый угол наклона передней вилки в сочетании с большой длиной перьев, что характерно для велочопперов, приводит к ухудшению маневренности — эффективности (остроты) управления: увеличению минимального радиуса виража и необходимости поворачивать руль на больший угол.

4. Геометрия велосипеда и передней вилки и Trail (выкат переднего колеса)

Маленький эксперимент. Если поставить правильный велосипед вертикально на оба колеса, держа за раму и наклонить в сторону, то и руль сам повернется в ту же сторону. Причина такого поведения кроется в конструкции передней вилки и рулевой колонки. Именно они определяют взаимное расположение двух важных точек. Точки А — места контакта переднего колеса с дорогой и точки В — пересечения оси рулевой колонки с той же дорогой. Взаимное положение этих точек задает не только направление куда повернётся руль при наклоне велосипеда, но и его курсовую устойчивость, управляемость, строгость управления, стабильность на виражах и многое другое. Все велосипедыможно разделить на два типа: ВА и АВ. Тип АВ — у которого точка контакта переднего колеса с дорогой расположена впереди точки В (рис.№2а). Тип ВА — Точка А лежит позади точки В (рис.№2б).

При наклоне велосипеда типа АВ в одну сторону, его руль будет поворачиваться в другую сторону и по очень ясной причине — точка приложения силы трения А лежит впереди оси вращения колеса В. Велосипед, при повороте «без рук», будет складываться пополам как ширма и с грохотом сыпаться на землю. Совсем иначе реагирует на наклон руль и переднее колесо велосипеда типа ВА, — они будут поворачиваться в сторону наклона велосипеда сами, и безо всяких рук. А при правильных размерах и углах, велосипед будет стремиться вернуться в вертикальное положение точно так, как будто его руль повернули руками — рулю надо только немного помочь, направить его в нужном направлении, и все будет ОК! По этой причине велосипеды типа АВ в магазинах не сыскать.

Теперь о форме передней вилки.

Варианты, изображенные на рис.№3, а) и б), дают нам слишком большое расстояние между точками В и А, что приводит к «сверх устойчивости» велосипеда. Чем больше расстояние между этими точками, тем больше момент силы, поворачивающий переднее колесо и, само собой, руль в сторону наклона велосипеда. Результат понятен, курсовая и вертикальная устойчивость очень хорошая, а управляемость «ниже плинтуса». Поэтому, для уменьшения расстояния между этими точками, вилку на велосипедах изгибают вперед, рис.№3, в). Но, даже если вилка прямая, то меняют её наклон, относительно оси рулевой колонки, или петухи, в которых крепится переднее колесо, смещают вперед. Рис.№4.

Расстояние между осью рулевой колонки и осью втулки переднего колеса, называют по разному, и Rake и Fork Offset, а у нас можно столкнуться с выбегом, смещением или вылетом вилки. Величина вылета вилки R обычно находится в пределах от 30 до 50мм. Зная вылет вилки, угол наклона оси рулевой колонки и реальный диаметр (с учетом толщины и деформации шины) колеса, легко можно подсчитать расстояние между точками А и В. Это расстояние называется Trail или выкат (выбег) переднего колеса, иногда его можно найти в каталогах. Итак, зная Trail, считается коэффициент устойчивости (управляемости) (Ку), который равен: Trail (Т), деленный на сумму, состоящую из длины базы велосипеда (G) плюс Trail (Т), результат деления умножается на 100%. Теперь формула: Ку=(Т/[G+Т])100% (1), все очень просто. У современных велосипедов Ку лежит в диапазоне от 5% до 7,5% и выбирается обычно значение близкое к границе устойчивости, по весьма прозрачной причине — таким велосипедом легче управлять.

5. Геометрия велосипеда меняется при работе амортизации

В момент торможения, когда байк «клюёт носом» при сжатии амортизационной вилки, база уменьшается, но Trail уменьшается ещё больше, а, следовательно, уменьшается и Ку. Выходит, что при торможении байк становится более управляемым, но и менее устойчивым. То же самое происходит при педалировании стоя, когда байкер приближает корпус к рулю и при спуске со склона, особенно если переднее колесо интенсивно притормаживается.

Если теперь нагрузить тяжелым грузом (симпатичной девушкой) багажник или уменьшить ход задней подвески (поставить более короткий амортизатор) у двухподвеса, то ситуация поменяется прямо на противоположную. Trail увеличится, Ку возрастет, байк станет более устойчивым, но им будет труднее управлять. Это наверняка знакомо многим вело туристам. С хорошо нагруженным багажником, байк прет как танк, особенно если хорошо разогнаться. Но повернуть или проехать по извилистой тропинке на малой скорости, ой как нелегко. Сейчас многие байки для экстрима имеют длинные дропауты задних перьев, которые позволяют сдвигать заднюю ось в широких пределах или ставить колесо меньшего диаметра, не 26, а 24 дюйма. Не удивительно, что при этом меняется устойчивость и управляемость велосипеда. Появились уже первые трейловые байки, геометрию которых можно изменять прямо на ходу в широких пределах. Например, новинка сезона, байк BIONICON EDISON. С помощью промышленного клапана который применяют в устройствах пневмо автоматики и пневмо линий геометрию рамы можно менять на 6 градусов! Угол наклона рулевой трубы 67,5°…73.5°. Угол наклона подседельной трубы 71°…77°. Ход вилки 69мм…147мм, ход задней подвески 142мм при колёсной базе 1056мм. На одном и том же байке теперь можно и катить в кросс-кантрийном стиле и эффектно спускаться с крутого склона.

6. Апгрейд

Замена амортизационной вилки и заднего амортизатора на более длинные или короткие влияет на устойчивость и управляемость байка. Это следует обязательно учитывать.

7. Длина верхней трубы

Длина верхней трубы определяется, как расстояние от оси рулевой трубы до оси подседельного штыря. Это расстояние, вместе с длиной выноса, во многом определяет посадку велосипедиста. И, кроме того, она так же влияет на развесовку велосипеда. Длинная труба способствует разгрузке переднего колеса, — могут начаться проскальзывания при поворотах. Более короткая, — может привести к тому, что колени станут задевать руль при педалировании способом «танцовщица». Любители кросс-кантри выбирают длинную трубу и длинный вынос (100…130мм) для получения низкой, растянутой посадки. Это усложняет прохождение поворота и преодоление сложных участков, но главная борьба, обычно происходит на подъемах. Для скоростного спуска и фрирайда сочетают слегка укороченную верхнюю трубу с коротким выносом. Поэтому на склоне, рейдер сдвигается далеко назад и обеспечивает правильное распределение нагрузки между колёсами. Кроме того, дополнительная загрузка переднего колеса, когда рейдер слегка перемещается вперёд, помогает проходить техничные участки.

8. Наклон верхней трубы

Задает, прежде всего, высоту стендовера — безопасное расстояние от жизненно важных органов байкера до верхней трубы рамы. Это очень важно в экстремальных видах спорта. Кроме того, уменьшается строительная высота рамы и, как следствие, возрастает её жёсткость и прочность, что играет роль в прыжковых дисциплинах и жестком фрирайде. В последнее время заниженная верхняя труба используется в шоссейных и кроссовых велосипедах. Это позволяет уменьшить количество размеров выпускаемых рам и их вес.

9. Длина нижних перьев

Она определяется по линии, параллельной земле, от оси каретки до оси задней втулки. Длина нижних перьев влияет на развесовку и динамику байка. И, неважно, сидит байкер в седле или стоит на педалях, в этом отличие влияния длины перьев на развесовку, от наклона подседельной трубы. Ведь, когда байкер встает с седла, наклон подседельной трубы уже не влияет на распределение нагрузки между колёсами. Короткие перья нагружают заднее колесо и увеличивают его сцепление с грунтом, а также делают задний треугольник более компактным, поджатым и жестким. Байк легче взбирается в гору, быстрее проходит, повороты и разгоняется. У прогулочных велосипедов и турингов база обычно увеличена и задний треугольник растянут. Это ухудшает динамику и требует большей затраты энергии для того, что бы забраться в гору. Но на это приходится идти, что бы разместить на багажнике большой и объемный вело рюкзак (штаны) и не задевать его пятками при вращении педалей.

И ещё пару слов о том, какая геометрия велосипеда подходит для разных стилей катания.
Чем острее байк «заточен» под скоростной спуск и жесткий фрирайд, тем длиннее ход его амортизаторов, острее угол рулевой трубы, больше колесная база и выше кареточный узел. Байк для дерта, имеет укороченную подседельную трубу, заниженный стендовер (расстояние от земли до середины подседельной трубы) и короткий вынос. Это полезно для безопасности и удобства рейдера при выполнении прыжков и трюков и для большей прочности рамы.

06.11.2005 г. Юрий Разин. Геометрия велосипеда.

PS. Выражаю благодарность Алексею Маджуге за ценные советы и рекомендации по особенностям геометрии современных байков

© «Федерация Путешественников» — Геометрия велосипеда