Амортизационная вилка

Амортизационные вилки (англ. suspension fork) применяются на велосипедах, предназначенных для использования на неровных рельефах местности, на бездорожье и т. п.

Служат двум целям:

Улучшают контроль над велосипедом на высокой скорости — колесо лучше держит траекторию и сцепление с поверхностью земли; гасятся удары, возникающие на колесе при экстремальном использовании и прыжках;
Увеличивают комфортность и безопасность высокоскоростной езды.

Слабые стороны таких вилок по сравнению с жесткими — больший вес и цена, необходимость в систематическом техническом обслуживании, подверженность паразитной раскачке при силовом педалировании.

Виды конструкций

Однокоронная телескопическая вилка
Однокоронная телескопическая вилка перевернутого типа
Двухкоронная телескопическая вилка перевернутого типа
Параллелограммная рычажная вилка

Существует три принципиально разных типа конструкции амортизационных вилок:

Рычажная
Телескопическая
Телескопическая перевернутого типа

Рычажная вилка

Представляет собой параллелограмную конструкцию из рычагов с включенным в нее амортизатором (в амортизаторе может быть использована стальная пружина или воздух). За счет геометрии вилки, траектория её работы отличается от телескопических (см. ниже) и имеет прогрессивные характеристики сжатия даже при использовании воздушного амортизатора. У вилки этого типа легче сдвиг за счет рычажной системы, благодаря чему она хорошо обрабатывает мелкие неровности и в меньшей степени подвержена паразитной раскачке от педалирования и клевкам при торможении. Но за это приходится платить высокой сложностью конструкции с большим количеством движущихся частей и, соответственно, довольно высокой стоимостью.

Наиболее известная рычажная вилка — Look Fournales стоимостью порядка 1000 евро. Использование композитных материалов и воздушного амортизатора в данной вилке позволяет добиться отличных весовых показателей: порядка 1,2 — 1,4 кг (в зависимости от размера вилки). Размер вилки подбирается в зависимости от высоты рулевого стакана. Существуют также рычажные вилки German A-force Kilo весом около 1 кг.

Ход рычажных вилок, в зависимости от конструкции и производителя, может варьироваться от 60 до 150 мм.

Телескопическая вилка

Построена на более простом в реализации принципе телескопического втягивания «ног» трубчатого сечения в «штаны» трубчатого сечения. Общий вид такой конструкции — это расположенные в нижней части вилки «штаны», соединенные друг с другом металлической перепонкой (горилла), к которым крепится ось переднего колеса. В верхней части конструкции вилки располагаются «ноги», которые верхним концом либо запрессовываются в корону, либо — удерживаются силой трения в двухкоронном креплении, а нижним концом вставлены в штанины.

Ныне большинство выпускаемых вилок имеют именно такую конструкцию, различающуюся лишь числом корон и горилл (одна или две). В отличие от рычажной конструкции, у такой вилки направление вектора сил, возникающих на колесе, почти совпадает с осью телескопической системы «штанина-нога», благодаря чему вилка воспринимает все удары напрямую, без преобразования этих сил при помощи каких-либо дополнительных рычагов (как это обеспечивается в задних подвесках и рычажных вилках). Это повышает требования к прочности конструкции и требования к тонкой регулировке её работы.

Положительные особенности:

Относительная простота в изготовлении — не требуется сварочного оборудования, сложной фрезеровки деталей; в основном — литьё, токарная обратотка и нарезание резьб
Двухкоронная гоночная даунхильная вилка Fox 40 RC2 WC
Самая высокая торсионная жесткость среди телескопических вилок, обеспеченная наличием дополнительного торсионного усилителя (горилла) что отвечает требованиям спортсменов
Не требует утяжеляющих подшипников и шарниров, участвующих в работе вилки
Не требует множества фигурных ребер жесткости для обеспечения прочности деталей вилки

Отрицательные особенности:

Высокие требования к покрытию рабочей поверхности ног вилки и к аккуратности использования;
Высокая неподрессоренная масса в районе штанов вилки, что повышает требования к высокоскоростной регулировке работы и точному рассчету прочности штанов, обеспечивая баланс между прочностью и лёгкостью штанов;
Повышенные требования к точной настройке характеристик, так как исключена возможность установки рычажной системы для упрощения гашения ударов;
Повышенные требования к качеству направляющих подшипников скольжения (башингов);
Подсос атмосферного воздуха через сальники и пыльники внутрь вилки при резком сжатии вилки, от чего вилка со временем становится жестче и воздух приходится спускать, вывинчивая пару болтиков в верхних крышках ног;
Повышенные требования к прочности короны в случае с однокоронными вилками.

Телескопическая вилка перевернутого типа

В обиходе называется «перевертыш». Это фактически перевернутая конструкция обычной вилки, построенная по принципу мотокроссовых вилок, в которых штаны вилки располагаются в верхней части вилки, а ноги — в нижней части вилки. Она имеет в основном все плюсы и минусы стандартных телескопических вилок, однако кое-чем все же сильно отличается от них.

Положительные особенности перевернутых вилок:

Пониженные неподрессоренные массы в районе колеса (в отличие от обычных телескопических вилок);
Прочность вилки производителю можно увеличить под сверхвысокие нагрузки увеличением толщины стенок штанов, что не повлияет на увеличение неподрессоренных масс, поэтому сегодня перевертыши производятся только под хардкорное использование в экстремальном фрирайде (в некотором случае — для велосипедов класса all-mountain) и имеют поистине танковую прочность;
Благодаря низким неподрессоренным массам — лучше «липнут к земле». Перевертыши идеальны при использовании для собственного удовольствия, если вы не гоняетесь за модой патологического облегчения велосипеда или участия в профессиональных скоростных соревнованиях;
Вилки не так требовательны к наличию высокоскоростной регулировки компрессии и отскока, так как в них высокая чувствительность достигается иным расположением масс и увеличением прогрессии пружины к середине хода (касается вилок высшего класса).

Отрицательные особенности перевертышей:

Высокий центр тяжести из-за расположения пружин в верхней половине конструкции
Отсутствует дополнительный торсионный усилитель (горилла), в связи с чем эта конструкция имеет торсионную жесткость хуже, чем у стандартных телескопических вилок
Подсос атмосферного воздуха (вилки для фрирайда) через сальники и пыльники внутрь вилки при резком сжатии вилки, от чего вилка со временем становится жестче и воздух приходится спускать, вывинчивая пару болтиков в верхних крышках штанов;
При сильном износе сальников и пыльников, расположенных в нижней части вилки, вилка может сильно травить масло.

Однако такие вилки все равно находят своих приверженцев и пользуются небольшим спросом во фрирайде ценителями высокого качества, так как поражает высочайшее качество продукции некоторых производителй. К примеру все, кто попробовал работу вилок от Avalanche Downhill Racing, очень довольны их работой. Вилка без регулировки высокоскоростной прогрессии имеет минимальную раскачку от педалирования даже с полностью отключенными регулировками сжатия и отбоя. На скорости же вилка «оживает» и начинает охотно справляться с неровностями. При этом в вилке установлена гидравлическая система антипробоя и грамотно отрегулирована прогрессивная работа пружины, что не позволяет вилке сжиматься больше, чем вам требуется, и вилку невозможно пробить даже с больших дропов. При их производстве используется оборудование и технологии завода автомобильных агрегатов, обеспечивая качество, превосходящее качество серийных гоночных вилок высшего класса от других производителей.

Двухкоронные и однокоронные вилки

Конструкции телескопических вилок делятся на однокоронные и двухкоронные:

Однокоронная конструкция используется в большинстве вилок от самых дешевых до гоночных и экстремальных классов, исключая хардкорный фрирайд и профессиональный даунхилл. В однокоронных вилках рулевой шток и обе ноги (или штанины у перевертышей) вилки запрессовываются в корону на заводе и представляют собой неразборную конструкцию[3]. Корона является высоконагруженной промежуточной деталью вилки и испытывает высокие динамические и ударные нагрузки, идущие с ног вилки на шток. Поэтому к прочности корон вилок этого типа осуществляются повышенные требования, и чаще всего изготовлены из кованого алюминиевого сплава.
Двухкоронные вилки — это вилки, конструкция которых усилена за счет удлинения ног (или штанин у перевернутышей) и наличием двух корон. Ноги (или штаны у перевертышей) вилки зажаты и удерживаются силой трения в двух коронах, между которыми располагается рулевой шток и рулевой стакан рамы велосипеда.

Принцип действия

Любая амортизационная вилка состоит из пружины и демпфера.

При наезде колеса на препятствие, пружина сжимается и аккумулирует в себе энергию, затраченную на сжатие, после чего пружина стремится разжаться и высвободить накопленную при сжатии энергию в резкое отталкивание передней части велосипеда с рулем вверх, что ухудшает контакт колеса с поверхностью земли, ухудшает управление велосипедом и повышает нагрузку на руки.

Внутреннее амортизирующее устройство — демпфер — препятствует этому, создавая эффект «вязкости» при разжатии вилки, подтормаживая резкие возвратные действия пружины. Эффект вязкости достигается за счет перетекания вязкой жидкости (масла) через отверстия в клапанах демпфера, превращая часть погашенной энергии в тепло.

Таким образом, для поглощения выпуклых неровностей работает чаще всего только пружина и вилка сжимается быстро, а разжимается чуть медленнее, что и обеспечивается правильно отрегулированным демпфером и повышает комфортность езды и управления. Но сильно увеличивать демпфирование отбоя нельзя, потому что тогда при проезде часто расположенных неровностей, вилка не будет успевать разжиматься и будет работать в «жестком» диапазоне пружины, в середине хода вилки.

Сэг (англ. sag, просадка) — это расстояние (в процентах от полного хода), на которое сжата вилка на неподвижно стоящем велосипеде с сидящим на нем райдером. Просадка вилки требуется для того, чтобы вилка могла отрабатывать неровности в виде углублений, имея запас хода на разжатие вилки, не теряя при этом сцепления с дорогой. Типичное значение сэга — 15-20 % для кросс-кантри и 25-30 % для экстремального спорта.

Настройка вилки под вес байкера заключается в достижении требуемого значения сэга.

Виды пружин

Витая металлическая пружина

Классическая металлическая пружина из стали или титана. Разжимает вилку, удерживает вес велосипеда и райдера, и демпфирует удары и вибрации, передающиеся от дорожного покрытия через колесо.

Особенности:

Простота конструкции и относительно низкая цена изготовления;
Линейная прогрессия (часто путают с линейной работой) означает, что во сколько раз вы сжали пружину, во столько раз увеличилось её сопротивление сжатию. Благодаря прогрессии, пружины используются в самых простых и высоконагруженных подвесках, в частности — в вилках и амортизаторах экстремального направления (фрирайд, даунхилл).
Малое усилие сдвига — для работы пружины не требуются уплотнения, ухудшающие за счет собственного трения в воздушкой камере, чувствительность вилки (в отличие от наличия таких уплотнений в воздушных вилках).
Большой вес — по сравнению с воздушными системами.
Узкий диапазон регулировок под вес байкера. Иногда под вес райдера требуется менять пружину, если она обеспечивает либо слишком мягкую линейную работу, либо непропорциональное увеличение силы при сжатии.
Надежная работа при низких температурах.

Витые пружины распространены на самых дешевых вилках из-за своей простоты и на вилках для экстремального использования из-за своей чувствительтности и надежности. Некоторые гоночные вилки высшего класса оснащены титановыми пружинами.

Воздушная пружина

Воздушная пружина — это результат давления воздуха в закрытой воздушной камере. Как правило, для накачки используется специальный вилочный насос (также существуют универсальные насосы и переходники для накачки обычным велонасосом).

Такая пружина имеет свои особенности:

Усилие сжатия не сильно меняется на протяжении 50-70 % хода вилки и резко возрастает в конце хода, обеспечивая повышенную комфортность короткоходных подвесок в ущерб склонности к пробоям при экстремальном использовании. Для увеличения прогрессивности работы, в воздушных вилках для экстремального использования применяют дополнительную камеру, обеспечивающую прогрессивную работу вилки и повышающую устойчивость к пробоям.
Большое усилие сдвига (в относительно дешевых вилках) из-за наличия уплотнений, работающих под давлением воздуха. Такое уплотнение постоянно поджимается давлением воздуха и осуществляет повышенное трение со стенками воздушной камеры. От этого падает чувствительность вилки, которая восстанавливается установкой в вилку негативной воздушной камеры.
Относительно малый вес (разница с витой пружиной около 150 г).
Простота регулировки под любой вес байкера путем изменения давления в камере.
Может травить воздух при низких температурах из-за частично «задубевших» на морозе уплотнений.
Сложнее в изготовлении, дороже, менее надежна при экстремальных нагрузках. Поэтому не используется в даунхилле и жестком фрирайде.

Воздушные вилки прочно завоевали позиции в велосипедах для кросс-кантри, марафонов, эндуро — везде, где требуется малый вес при относительно невысоких нагрузках.

Врожденная болезнь в виде большого усилия сдвига лечится путем разделения пружины на позитивную и негативную:

Позитивная пружина разжимает вилку, удерживает вес велосипеда и райдера, и демпфирует удары и вибрации, передающиеся от дорожного покрытия через колесо.
Негативная пружина осуществляет небольшое противодавление силе позитивной пружины. Она обеспечивает малое усилие сдвига (плюшевость) в начале хода подвески. После 5-50 % сжатия подвески действие негативной пружины заканчивается.Негативные пружины бывают 3 видов:
- Стальная витая пружина — конструкция простая, дешевая, но с не самыми лучшими рабочими характеристиками. Чаще всего устанавливается на вилки для даунхилла и фрирайда, и больше работает для смягчения удара металлических частей вилки при резком разжатии вилки (при слабой регулировке отбоя), чем на повышение чувствительности вилки. К примеру у вилки Marzocchi Monster негативная пружина работатет только на последних ~10 мм от общего хода вилки в 200 мм.
- Воздушная пружина, объединенная с позитивной — накачивается одновременно с позитивной, через один клапан.
- Воздушная пружина с независимой накачкой (на вилках Rock Shox высокого класса) — накачивается через отдельный клапан, дает еще одну степень свободы в регулировке вилки.

Воздушные пружины бывают высокого (до 15 атм) и низкого (до 5 атм) давления — это определяется диаметром воздушной камеры, обусловленным конструктивными особенностями вилки.

Виды демпферов

Наиболее примитивные телескопические вилки (устанавливаемые на лентабайки и прочие макеты велосипедов) имеют примитивный демпфер — это трение между ногами и направляющими в штанах. Но данный вид демпфирования не позволяет использовать вилку для бОльших, чем прогулочный стиль, нагрузок.

Чуть более продвинутые вилки имеют эластомерный демпфер (пружинно-эластомерные вилки). Демпфер представляет собой длинный кусок мягкого пластика, по характеристикам похожим на жесткую резину, который вставлен внутрь пружины. Эластомер имеет длину и диаметр чуть меньше, чем длина и диаметр пружины.

Принцип работы эластомерного демпфера заключается в том, что когда пружина сжимается, форма эластомера, при сохранении объема, изменяется: длина уменьшается, диаметр увеличивается. В определенный момент поверхность эластомера начинает касаться витков пружины. Чем сильнее эластомер сжимается, тем сильнее он увеличивается в диаметре, и тем сильнее создается сила трения между ним и витками пружины. Благодаря этому скорость сжатия пружины притормаживается.

При разжатии вилки эластомер, с усилием прижатый к виткам пружины, чуть подтормаживает разжатие пружины за счет созданной силы трения и гасит силу отскока пружины, пока его стенки полностью не отойдут от витков пружины.

Основные проблемы вилок с эластомерным демпфером:

Полное отсутствие смазки трущихся частей вилки кроме временного небольшого количества тефлоновой густой смазки на эластомере.
Невозможно создать длинноходную вилку с таким типом демпфера.
Сопротивление демпфера нарастает скачкообразно (за ~20 % от общего хода вилки), после чего продолжает быстро увеличиваться, что уменьшает комфорт езды на больших неровностях.
При сжатии и отскоке эластомер обеспечивает одно и то же нерегулируемое сопротивление вилки, поэтому на высоких скоростях вилка работает слишком жестко.
Так как эластомерный демпфер делается из пластика, тефлоновая смазка со временем соскабливается с него витками пружины, и через непродолжительное время пластик начинает сильно изнашиваться и крошиться, забивая продуктами износа направляющие подшипники. В итоге вилка вообще прекращает работать и клинит.

Эластомерные вилки считаются самыми ненадежными и, при активном использовании, их хватает на один сезон.

Сейчас практически во всех моделях вилок, кроме вышеперечисленных, стандартом стал гидравлический демпфер. Его принцип работы заключается в пропускании находящегося в демпфере масла при сжатии и отбое вилки через калиброванные отверстия, причем при отбое масло протекает через отверстия меньшего размера. Так запасенная кинетическая энергия пружины расходуется на нагрев масла, чем обеспечивается поглощение энергии ударов. Масляный демпфер также позволяет качественно разделить усилия сопротивления при сжатии и отскоке вилки, сделать их независимыми друг от друга, а так же обеспечить их индивидуальную регулировку.

Демпферы выпускаются различных видов:

Открытая масляная ванна — самый старый и простой вид демпфирования. Масло свободно плещется в штанах вилки, в них же установлен демпфер диаметром ~2 см. Масляная ванна является общим объемом масла, используемого для работы демпфера и смазки направляющих подшипников ног вилки. Такая конструкция надежная, но относительно тяжелая из-за большого количества масла.
Полуванна — демпфер находится в одной из ног, герметичен, имеет собственный запас масла, которое не используется за пределами демпфера. В штанах находится по 5-20 мл густого масла для смазки направляющих подшипников ног. Такая конструкция легче, масло демпфера не контактирует с кислородом и с грязью из внешнего мира, но если масло вытечет из демпфера в штанину, то вилка потребует ремонта (фирменная болезнь RockShox).
Закрытый картриджный — может относиться как к ванне, так и к полуванне (также может нести в себе функцию блокировки, без отбоя). Такой демпфер теоретически не подлежит разборке и ремонту, в случае поломки выбрасывается и заменяется новым.

Регулировки вилок

Стоимость вилки определяется не только качеством ее работы, использованными материалами и весом, но и количеством ее регулировок (и, соответственно, сложностью конструкции). Если простому покатушечнику или туристу, строго говоря, достаточно одной-двух регулировок, то для гонщика чем больше степеней свободы в настройке вилки под конкретную трассу, тем лучше. Еще лучше — если регулировку вилки можно производить прямо на ходу, не снимая рук с руля. Для этого служит специальная манетка, которых может быть до 2 штук на вилку (например, изменение хода и активация платформы).

Регулировки пружины:

Предварительная нагрузка (preload) — регулировка предсжатия пружины под вес райдера либо механической регулировкой, либо при помощи накачивания воздуха в маленькую воздушную камеру над пружиной;
Позитивная воздушная камера (positive air) — воздушная камера, выполняющая роль основной несущей пружины. Изменением давления воздуха в этой камере регулируется предсжатие системы, подгоняя силу подвески под вес райдера;
Негативная воздушная камера (negative air) — повышает чувствительность вилки в начале хода за счет негативного (обратного) действия на разжатую вилку. Иначе говоря, давление в этой камере поджимает давление в позитивной камере. Результат — высокая чувствительность вилки.
Регулировка хода* (travel adjustment) — возможность быстро изменить ход вилки без изменения характеристик демпфирования и амортизации.
Объем рабочей камеры (volume adjustment) — регулировка степени прогрессивности сжатия.

Регулировки демпфера сжатия:

Блокировка* (lockout) — гидравлическая система, обеспечивающая полную блокировку действия вилки. Применяется при езде в гору только по гладкой поверхности для реализации 100 % силы ног на разгон.
Пробиваемая блокировка* — гидравлическая система, позволяющая заблокированной вилке разблокироваться при сильных ударах (с целью предотвращения повреждения вилки).
Регулируемая платформа* — гидравлическая регулируемая система, действие которой похоже на пробиваемую блокировку, только порог пробоя можно задать отдельной регулировкой (floodgate) в широких пределах. Позволяет вилке срабатывать только на крупных неровностях, но при этом не качаться на подъемах.
Компрессия (compression)* — гидравлическая регулируемая система демпфирования при сжатии вилки (обычно регулируется от 0 до очень сильного сопротивления). Позволяет демпферу снизить скорость сжатия вилки.
- Низкоскоростная компрессия (low speed compression) — гидравлическая регулируемая система демпфирования, создающая небольшое сопротивление при медленном сжатии вилки на низких скоростях, однако при резком сжатии вилки, на высоких скоростях, отключается. Уменьшает раскачивание вилки при активном педалировании и «клевки» велосипеда при торможении.
- Компрессия в конце хода (bottom out) — антипробойная гидравлическая система (актуальна для пружинных вилок), начинающая свою работу, когда вилка уже сжалась ~ на 80 % своего хода и продолжает сжиматься. Антипробойная система призвана предотвратить удар металлических частей вилки друг об друга, когда вилка сработала на весь свой ход.

Регулировки демпфера отбоя:

Скорость отбоя (rebound) — гидравлическая регулируемая система, работающая при отбое, когда вилка разжимается.

Варианты регулировки:

Внешняя регулировка — у дропаута (наиболее часто встречается) или на короне;
- Внутренняя регулировка — требуется неполная разборка вилки.
ETA (extension travel adjustment) — аналог блокировки вилки от Marzocchi. После включения системы вилку нужно сжать, после чего её работа полностью блокируется на ходе ~60 % от общего хода.

Амортизационная вилка