Драма рами
ДРАМА РАМИ
ФІЗІОЛОГІЯ МОТОЦИКЛУ: МЕТАЛЕВИЙ ОСТОВ
Як іграшки на новорічній ялинці, всі вузли та агрегати мотоцикла нанизані на єдину основу – раму. Несуча функція – головна, але не єдина. Рама задає геометричні характеристики мотоцикла, забезпечуючи паралельність руху коліс (не тільки в статиці, а й у динаміці, за рахунок своєї жорсткості пручаючись спробам збити колеса «з шляху істинного»), встановлюючи кут нахилу кермової колонки (параметр, що безпосередньо впливає на керованість — см "Мото", 2002, № 3, стор 42). Оскільки конструкція рами визначає компонування машини, вона впливає і на розташування центру тяжіння і центру мас.
Зрозуміло, що такий найважливіший вузол виник одночасно з народженням мотоцикла. Фактично навіть раніше, оскільки зразком для ходової частини перших мотоекіпажів послужив велосипед. Несподіваним винятком є лише перший у світі мотоцикл з ДВС — Reitwagen Готтліба Даймлера, побудований в 1885 році. Навіть сучасників він шокував надзвичайно архаїчною конструкцією дерев'яної (!) ходової частини, скопійованої не з велосипеда навіть, а з їхніх предків — бігунків-самокатів початку XIX століття. Нинішній інженер вражений іншим. Конфігурація цієї рами така ж, як у найсучасніших спортбайків: два потужні елементи, що йдуть по діагоналі від рульової колонки до заднього колеса і охоплюють всі найважливіші агрегати мотоцикла.
Але це лише виняток, і викликаний тим, що гер Даймлер зовсім не цікавився розвитком велосипедної техніки. Переважна більшість творців мотоциклів кінця XIX — початку ХХ століття цілком адекватно сприйняла велосипедну конструкцію рами, і спосіб її виготовлення (не звичним для нас електрозварюванням, а пайкою). Що їх привабило? По-перше, відпрацьованатехнологія виробництва. По-друге, ця класична конструкція, утворена двома трубчастими трикутниками, вдало поєднує малу масу з високою жорсткістю (на вигин, але не на кручення).
Спочатку творці мотоциклів просто закуповували рами у виробників велосипедів, розміщували двигун або над переднім або заднім колесом, або всередині переднього «трикутника». Але при цьому центр тяжіння розташовувався надто високо. Вихід запропонували брати Вернер, українські журналісти, а на стику XIX і ХХ століть — французькі винахідники. В 1901 вони отримали патент на конструкцію розімкнутої рами: внизу труби з'єднані через картер мотора. Таким чином, двигун розташовувався в нижній точці машини, за рахунок чого гранично знижений центр тяжіння. Рішення виявилося настільки вдалим, що буквально за кілька місяців подібні мотоцикли почали робити і в Європі, і в США! Деякі винахідники пішли ще далі. Оскар Хедстром на першому мотоциклі Indian передав двигуну функцію підсідельної труби рами. Англійці Фелон і Мур, навпаки, вставили його замість передньої труби - це рішення застосовувалося на мотоциклах заснованої ними компанії P& (пізніше Panther) до 1965 року!
З того часу і повелося поділ мотоциклетних рам на два основних типи: замкнуті, що утворюють нерозривний контур, і розімкнені, що включають в свою силову структуру силовий агрегат. У кожного типу свої переваги. Замкнуті рами прості в ремонті, дозволяють підвішувати двигун на сайлент-блоках, що ефективно гасять вібрацію. Крім того, нижні труби захищають картер від ударів. Розімкнені рами істотно легше, оскільки частина навантажень сприймає силовий агрегат (щоправда, при цьому доводиться посилювати сам двигун, так що виграш у масі не такий великий).
Але це в наші часи, коливиникли сучасні конструкційні матеріали, менш важливо, який тип рами вибрати — замкнутий чи розімкнутий. На початку ХХ століття металургія ще не піднялася настільки високо, і тому зі зростанням швидкостей власники мотоциклів з розімкненими рамами зі страхом побачили тріщини, що з'являються на картерах. Мабуть тому вже в 1910-х роках від таких рам відмовилися. На авансцену вийшли замкнуті, у яких зниження центру тяжкості двигун розташовувався у спеціально вигнутій «петлі».
Зростання швидкостей призвело до появи ще однієї проблеми. Стало не вистачати жорсткості на кручення (або торсіонної), але цей параметр безпосередньо впливає на керованість (визначає здатність коліс йти «слід у слід»). Більшість конструкторів пішло звичним шляхом: почали збільшувати товщину і діаметр (а тим самим і масу) труб. Але декому прийшла краща ідея: додати ще один трикутник (він — найжорсткіша геометрична фігура). Цей трикутник ми побачимо в дуплексній рамі (вигляд спереду) - тієї самої, в якій від рульової колонки вниз йдуть дві труби. Ще одна модифікація подібної конструкції - "напівдуплекс": у ньому передня труба роздвоюється не біля кермової колонки, а на середині своєї довжини.
Черговий ривок у «рамоплетенні» стався у 20-ті роки, і пов'язаний він із широким розповсюдженням штампувально-пресового обладнання. Це призвело до використання рам із штампованих деталей, з'єднаних електрозварюванням. З'явилися й екзотичні конструкції, у яких рамою служив штампований зі сталевих листів несучий кузов — монокок. Та й у звичайних трубчастих рамах дедалі частіше стали застосовувати косинки та підсилювачі. Іноді штамповані виконували верхню трубу. Але широкого поширення така технологія набула лише тоді, коли на зміну пайці прийшло електрозварювання — а повністю цей перехідвідбувся лише у 50-ті роки.
Але повернемося до 20-х. Вони принесли ще одне нововведення, що залишилося тоді практично непоміченим. Німецька Ardie спробувала використати для рам новий матеріал – алюмінієвий сплав. Але час «крилатого металу» тоді ще не настав.
Минуло чверть століття, і знову закінчення світової війни (цього разу — другий) і пов'язаний із цим сплеск попиту на мототехніку спонукали фантазію конструкторів. Інженер італійського концерну Piaggio Коррадіно Д'Асканіо розробив у 1945 році скутер Vespa з несучим сталевим кузовом-облицьовуванням. Ця конструкція по жорсткості на порядок перевершувала звичайні моторолерні трубчасті рами, так що немає нічого дивного в тому, що вона стала активно наслідувати. Відзначимо такі цікаві машини 50-х років, як італійський скутер Rumi Formichino та німецький мопед Heinkel Perle: їхній кузов-монок виконаний з алюмінієвого сплаву.
Ще одним хітом 50-х років стала хребтова рама. Її основу складає потужна хребтовина (з труби великого перерізу або штампованих деталей), що з'єднує рульову колонку та вісь кріплення маятника задньої підвіски. Особливо вдалим виявився варіант хребта із двох штампованих Т-подібних половин, з'єднаних зварюванням. Їх встановлювали в багато німецьких та італійських мотоциклів 50-х років, ідею запозичили японці, і вже вони розтиражували «хребет» у мільйонах екземплярів. Порівняно з традиційними замкнутими конструкціями хребтові рами важкі, зате дешеві у виробництві. Спочатку властивий їм недолік — вібрації консольно підвішеного двигуна часто намагаються усунути, вводячи трубчасту стяжку між рульовою колонкою і передньою частиною картера.
Але традиційні трубчасті рами ніхто не збирався викидати на звалище. Їхній щасливій долі допоміг геніальний винахідірландця Рекса Мак-Кандлеса. Він створив «цілком дуплексну» раму, з подвійними і нижніми, і верхніми трубами. Крім того, розробник збільшив жорсткість кріплення кермової колонки, коли пустив труби хрест-навхрест: верхні - до її нижньої частини, передні - до верхньої. І це ще не все, ірландець здійснив переворот у уявленні про хорошу керованість мотоцикла. Насамперед воліли жорсткі короткохідні підвіски, і бідолашній рамі доводилося компенсувати нерівності дороги за рахунок своєї «податливості». Мак-Кандлес з'єднав дуже жорстку на кручення раму з відносно м'якими підвісками. Свій винахід він запропонував британській компанії Norton. Її гонщики, випробувавши новинку, одразу ж дали їй прізвисько «періна» (featherbed). З'явившись на трасах в 1950 році, 1-циліндрові мотоцикли Norton з новою ходовою частиною в пух і порох розгромили набагато потужніші 4-циліндрові Gilera і MV Agusta! "Перина" на 30 років вперед стала взірцем для творців як гоночної, так і потужної дорожньої техніки.
Але і «періна» здала позиції, коли потужність мотоциклів підібралася до позначки «100 л. с.». Тому наприкінці 60-х — на початку 70-х років конструктори гоночних мотоциклів почали шукати нові рішення. Спочатку їх залучили коробчасті рами типу «монокок», із сталевих чи алюмінієвих листів або навіть зі склопластику. Наприкінці 70-х стали популярними рами класичної схеми, але з алюмінієвих труб прямокутного перерізу. Але найбільше раціональне рішення знайшов іспанський інженер Антоніо Кобас. До сезону 1982 року він підготував мотоцикл з рамою революційної конструкції: її становили два потужні коробчасті елементи з алюмінієвого сплаву, що йдуть по діагоналі від рульової колонки до осі маятника. Тож народилася діагональна рама!
Геніальну конструкцію незабаром підхопили усі творцігоночних машин, а наприкінці 80-х вона прописалася і на серійних спортбайках. Ось лише технологію довелося відкоригувати.
Рами гоночних мотоциклів роблять так: вибивають формою алюмінієві листи і зварюють (склеюють) їх у кілька шарів, причому число цих шарів більше там, де рама відчуває найбільші навантаження. Результат – чудовий, але спосіб – надзвичайно трудомісткий. При виготовленні серійних рам литі деталі з'єднують зварюванням з отриманими штампуванням або екструзійним методом (сплав видавлюється через матрицю в напівзастиглому стані). Втім, новітні успіхи в ливарній справі дозволяють робити рами цілком з литих деталей (при цьому вдається забезпечити всю товщину деталі такою, яку вимагає сопромат).
Жорсткість діагональної рами додатково забезпечує і силовий агрегат: зазвичай він замикається через головку циліндрів та задню частину картера. Іноді застосовують охоплюючі двигун підрамники. Не завжди «діагональ» роблять із алюмінієвого сплаву. Якщо ми придивимося до звареної із сталевих труб рами типу «пташина клітка», характерної для сучасних Ducati, побачимо ту ж діагональну конструкцію. Рами для гоночної техніки намагалися робити із вуглепластику. На жаль, такий варіант заперечує можливість обожнюваних конструкторами швидких змін типу «тут відріжемо, там підваримо».
Алюмінієві сплави забезпечують зниження маси, але в порівнянні зі сталлю менш стійкі до ударів. Тому до недавнього минулого їх застосовували лише для рам дорожніх мотоциклів. Проте прогрес йде вперед, і з'являються нові марки сплавів із дедалі більш «зручними» характеристиками. Вони дозволили концерну Honda з 1997 застосовувати алюмінієві рами навіть для кросових мотоциклів. Рама машин серій CR і CRF - з яскраво вираженими діагональнимиелементами, крім того, один із її елементів - підрамник, що охоплює двигун знизу. Інакше виконана рама у ендуро Honda XR650R (дебют — 1999 року): має класичну конструкцію з алюмінієвих труб квадратного перерізу. Взагалі-то, Honda у використанні «крилатого металу» попереду всієї планети: ми знайдемо алюмінієві рами у її скутерів X8R-S/X, Crea Scoopy, Giorno Crea, великих туристичних мотоциклів Pan-European і Gold Wing.
Після всього сказаного про те, який архіважливий це агрегат - рама, я приголомшу вас твердженням: мотоцикл цілком може ... без неї обійтися. Якщо силовий агрегат здатний сприймати частину навантажень, чому не можна зробити його основним несучим елементом? Ця ідея успішно втілена ще наприкінці 40-х на англійських мотоциклах Vincent, а в наші дні використовується на опозитах BMW. Зрозуміло, невеликі підрамники необхідні, без них ніяк. Але рами як такої у цих машин взагалі немає! Відкинуто!