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.
Рис 1.5. Смещение пятна контакта шины из-за вылета передней вилки: В — точка касания колеса поверхности дороги при движении прямо; B1 — точка касания колеса при повороте руля; А — точка пересечения продолжения оси рулевой колонки с поверхностью дороги; АВ — вылет передней вилки
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 (рис. 1.5). Вследствие этого появится сила, которая стремится наклонить мотоцикл в сторону поворота (момент этой силы называют опрокидывающим).
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 (рис. 1.6).
Рис. 1.6. Силы, действующие на мотоцикл-одиночку при повороте: Y— вертикальная составляющая опор¬ ной 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; Рс — центробежная сила; ß — 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 (рис. 1.7). Поэтому вес, приложенный к центру тяжести, создает больший опрокидывающий момент, направленный в сторону поворота.
На поведение мотоцикла в повороте оказывает влияние и гироскопический момент: он стремится повернуть переднюю вилку в сторону крена (рис. 1.8). Это явление имеет важное значение для управления мотоциклом.
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.
Рис. 1.7. Различие величины вылета вилки АВ у дорожного мотоцикла (а) и круизера (б)
Рис 1.8. Влияние гироскопического момента на движение мотоцикла в повороте
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 (рис. 1.9). 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 (рис. 1.10) шли боковой ветер.
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.
Рис 1.9 Потеря мотоциклом одноко-лейности
Рис 1.10. Наклон мотоцикла для компенсации асимметричности загрузки
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 (рис. 1.11). 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».
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.
Рис 1.11. Углы установки колес мотоцикла с коляской
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.