"Блокирование" подвески при торможении (brake-induced suspension lockout)Потратив несколько часов на поиск в Интернете любой информации по этой широко обсуждаемой проблеме, я не нашел ей ни одного компетентного объяснения. Это странно, ведь "блокирование" подвески одношарнирных конструкций и "неправильных" многорычажных стало просто-таки общеизвестным фактом, также общеизвестно, что "правильные" четырехрычажные подвески не блокируются при торможении. Складывается впечатление, что все об этом знают и говорят, но никто не понимает толком, откуда берется это таинственное "блокирование". Зато я обнаружил весьма толковое опровержение трех самых расхожих теорий, "объясняющих" этот феномен.
Примечание: для приведенных ниже выкладок важен только сам рычаг, к которому крепится тормоз, конкретное расположение калипера и диаметр ротора значения не имеют. Мы рассматриваем колесо, тормоз в заблокированном состоянии и рычаг, к которому он крепится как один трехплечий рычаг
ABCD с плечами
AB,
AC и
AD, где
А - ось колеса, она же шарнир, вокруг которого рычаг обращается,
B - точка соприкосновения колеса с дорогой,
C и
D - точки соединения с другими рычагами подвески или главным треугольником. Дабы не впадать в сравнительный анализ различных тормозов, передачу тормозного момента с колеса на раму мы простоты ради считаем полной.
Начнем с устранения терминологической путаницы. Обычно тривиальным понятием "блокирование подвески при торможении" объединяют как минимум три различных явления. Происхождение этих явлений совершенно разное и рассматривать их тоже необходимо отдельно:1. Статическое "затвердение" подвески (
brake-induced stiffness).
Симптомы: подвеска неподвижного велосипеда при зажатой ручке заднего тормоза оказывает несколько большее сопротивление сжатию.
Причина: изменение колесной базы в рабочем цикле подвески и небольшой поворот колеса (для одношарнирных и "неправильных" многорычажных подвесок этот угол приблизительно равен
A=2*arcsin((H/2)/L), где
H - ход подвески,
L - расстояние от главного шарнира до оси заднего колеса). Все это вызывает трение колеса по поверхности, на которой стоит велосипед, и определенный вращательный момент на рычаге, несущем колесо, как правило, обращенный против движения подвески. Необходимо сразу же оговорить, что при движении велосипеда это статическое трение не играет почти никакой роли, поскольку трение скольжения всегда значительно меньше трения покоя, а кроме того, включаются дополнительные факторы (активная работа передней вилки, которая при сжатии уменьшает колесную базу и частично компенсирует "уход" колеса назад, перенос центра масс вперед, что разгружает заднее колесо и уменьшает сцепление с дорогой, а значит и трение и т.п.), с трудом поддающиеся учету, но сводящие его влияние на нет. Однако, я не зря остановился на этом практически незначительном явлении. В нем заключается корень мифа про отсутствие тормозного блокирования "правильных" четырехрычажных подвесок. Действительно, в подвесках с "хорст-линком" и им подобных при сжатии подвески зажатое тормозом колесо вращается в обратную сторону относительно нижних переьв. При этом путь точки, лежащей на его окружности, обычно оказывается значительно короче, чем в подвеске, где колесо закреплено на главном рычаге (
chainstay, swingarm). Впрочем, конкретная длина этого пути очень сильно зависит от расположения хорст-линка. Стало быть, возникающая сила трения оказывает гораздо меньшее сопротивление сжатию подвески. Разумеется, это очень эффективный механизм убеждения покупателей - как удобно демонстрировать "
преимущества" подвески в салоне магазина на неподвижном велосипеде
Рис.4. Статическое "затвердение" одношарнирной подвески. Стрелки - направление действия вращательного тормозного момента в разных точках конструкции при сжатии:
Рис.5. То же самое на обратном ходу подвески. Видно, что в обеих случаях тормозной момент работает против хода:
2а. "
Проседание" подвески при торможении на движущемся велосипеде (brake-induced squatting). Симптомы: при резком торможении подвеска сжимается, увеличивая предварительную нагрузку (preload) амортизатора, при этом заметно ухудшается качество работы подвески. Причины: самая распространенная теория гласит, что заблокированное колесо, получающее при движении значительный вращательный момент от трения с поверхностью, передает этот момент на подвеску, сжимая амортизатор. Действительно, это типичная проблема всех однорычажных конструкций и "неправильных" многорычажных. Однако, достаточно ли оснований называть это явление "блокированием"? Некоторые горячие головы проводят аналогию с действием тормозного вращательного момента на переднем колесе, согласно легендам, регулярно ломающем вилки
Но они, как правило, забывают о поступательном тормозном моменте, который будет рассмотрен в п.3. Для передней вилки, если рассматривать ее ноги как рычаг с шарниром в области короны (нижней короны для двухкоронок), поступательный и вращательный моменты действуют сонаправленно и стремятся развернуть вилку назад на угол примерно 120 градусов, пока ось колеса и корона не будут располагаться на одной горизонтали. После этого поступательный момент начнет действовать против вращательного и уравновесит его еще через градусов 20-30 (зависит от расстояния между короной и осью колеса). Разумеется, эти вычисления чисто теоретические, на практике вилку никогда не вывернет на угол 140-150 градусов, но факт остается фактом - на вилке оба момента действуют сонаправленно. В задней подвеске, если ось главного шарнира и ось колеса изначально расположены на одной горизонтали, поступательный тормозной момент противодействует вращательному и полностью уравновешивает его при повороте свингарма вверх на те же 20-30 градусов. Таким образом, действие тормозного усилия на заднюю подвеску проявляется значительно слабее. Сильнее всего оно заметно на однорычажных подвесках с высоким расположением главного шарнира ("свингарм Гирвина"). "Неправильные" четырехрычажки с низким главным шарниром, напротив, обычно подвержены этому явлению весьма слабо, поскольку в них тормозной вращательный момент передается на передний треугольник двумя частями. Та часть, которая передается через верхние перья и коромысло, доходит до амортизатора не полностью. Если проследить путь его передачи от шарнира к шарниру и на каждом рычаге разложить приложенную силу на параллельную и перпендикулярную компоненты, мы обнаружим, что частично она попадает "мимо" амортизатора прямиком на главный треугольник, вынуждая его отклоняться вперед (количественно эта величина зависит от конструкции). Таким образом, проблема задней подвески становится проблемой передней
В результате такого распределения сил на некоторых конструкциях "неправильных" многорычажных подвесок эффект сжатия при торможении проявляется настолько слабо, что говорить о их "блокировании" просто смешно.
Рис.6. Банальное объяснение явления "проседания" при торможении. Стрелками показано направление сил, вызванных действием вращательного тормозного момента:
Рис.7. Развернутое объяснение. Черные стрелки - направление сил, вызванных действием вращательного тормозного момента в разных точках конструкции. Красная стрелка - компонента, уходящая на раму "мимо" амортизатора, желтая - уходящая с верхнего пера на амортизатор (строго говоря, надо бы разложить эту силу на компоненты еще раз - на коромысле, но у меня кончились цвета для стрелок
Зеленая стрелка - направление силы, вызванной действием поступательного тормозного момента. Синяя - компонента, направленная на растяжение подвески и противодействие вращательному моменту:
Некоторые энтузиасты одношарнирных конструкций даже берутся доказывать, что никакого сжатия такой подвески при торможении вообще не происходит! В частности, такое доказательство в весьма расплывчатой (и скорее эмпирической, чем формализовано теоретической) форме приводит Кен Сасаки в "Анализе траектории". Согласно его теории, ключевую роль играет не само по себе наличие одного или четырех рычагов, а текущее расположение мгновенного центра по отношению к главному шарниру. В одношарнирных конструкциях, которые он принимает за идеал, где точка мгновенного центра и главный шарнир однозначно совпадают, эта сила не оказывает никакого влияния на сжатие или растяжение подвески. В многорычажных конструкциях, где мгновенный центр расположен впереди главного шарнира (почти все подвески с хорст-линком), подвеска имеет тенденцию растягиваться (см. п. 3). Если мгновенный центр лежит позади главного шарнира (к примеру, Yeti DH 9), подвеска при торможении сжимается. Конечно, мгновенный центр в рабочем цикле подвески не стоит на месте, но как правило, в каждой конкретной подвеске он перемещается либо впереди, либо позади главного шарнира. Возможно, в этих рассуждениях есть доля истины (особенно в той их части, которая касается "правильных" четырехрычажек), но в целом этот раздел работы К.Сасаки представляется наиболее туманным и слабо аргументированным (глава 3, раздел "Торможение").
2б. "
Подпрыгивание" (brake-induced jacking). Симптомы: при торможении подвеска распрямляется, подбрасывая ездока и до конца торможения сжимается крайне неохотно. Причина: вращательный момент, получаемый колесом от трения с поверхностью (см. п. 2). Предположительно, отделив колесо от нижнего пера хорст-линком, можно "изолировать" подвеску от действия этой нежелательной силы. Рупором этой теории является в основном журнал Mountain Bike Action. Вот, что пишет некий Ричард Каннинхэм (Richard Cunningham): "
Хорст-линк изолирует тормозные силыи натяжение цепи в нижних перьях, тем самым обеспечивая активную заднюю подвеску". Описывая преимущества подвесок с "параллельными рычагами" (
Parallel link), он заявляет: "
Колесо закреплено на вертикальном заднем рычаге, что "распаровывает" (uncouples) его со свингармом и предоставляет возможность истинно активной езды. Вы можете давить на педали и тормозить на камнях и корнях, а заднее колесо будет скользить над поверхностью, как лодка по волнам". Слова "изолировать" и "распаровывать" не являются терминами физической механики, поэтому понять, какие именно процессы имеются в виду, довольно сложно. Да это и не так уж важно, поскольку в любом случае является неправдой, так как противоречит законам природы. Если в паре рычагов, соединенных шарниром, один обладает некой энергией, она никуда не денется при передаче на второй (за исключением небольшой части, которая уйдет в тепло при трении в шарнире). Даже в идеальном случае, если система 4-х рычагов представляет собой строгий прямоугольник, приложение вращательного момента к одному из рычагов приведет к изменению формы системы - она станет параллелограммом. Проще говоря, почти во всех подвесках с хорст-линком при торможении "клюет носом" передний треугольник, вызывая растяжение подвески и "подпрыгивание". Об этом рекламные отделы производителей таких подвесок сообщить восторженным покупателям "забывают". Особенно страдал таким "подпрыгиванием" приснопамятный Giant NRS, что неудивительно - при таком низком расположении хорст-линка тормозной вращательный момент с колеса передается на раму во всей красе. Неудивительно и то, что на этой раме не было предусмотрено проседания (
sag) подвески - даже с минимальным проседанием эффект "подпрыгивания" был бы еще больше заметен. Комментарии представителей Giant по этому поводу заслуживают всяческих улыбок: "Ну, надо ведь чем-то расплачиваться за отсутствие раскачки!"
Рис.8. "Подпрыгивание" при торможении. Черные стрелки - направление действия сил, вызванных тормозным вращательным моментом. Красные - компонента, придающая главному треугольнику наклон вперед. Мало того, вторая компонента этой силы (зеленые стрелки) тоже, очевидно, направлена на растяжение подвески!
Рис.8b. Подчеркиваю, этот эффект никак не связан с расположением центра тяжести, его происхождение чисто геометрическое. Картинка слева схематична, но зато очень наглядна:
3. Динамическая "стабилизация". И еще как минимум одна сила действует на подвеску при торможении. О ней производители практически никогда не упоминают, вероятно потому, что присутствует она в любой рычажной подвеске и избавиться от нее не представляется возможным. Я даже не нашел для нее соответсвующего международного термина. Назовем ее "стабилизирующей". Она имеет определенное отрицательное влияние на качество работы подвески, которое несколько варьируется в зависимости от конструкции. Рассматривая приложение силы трения к заблокированному тормозом колесу, часто забывают, что кроме вращательного момента, она вызывает еще и эквивалентный поступательный момент, приложенный к центру масс (в случае колеса - к оси), сонаправленный приложенной силе. То есть, при торможении колесо не только "вращает", но и "тянет" назад. Этот момент передается на подвеску и заставляет ее "распрямиться", то есть, переместить ось колеса на одну горизонталь с главным шарниром (в случае одношарнирной конструкции) или с виртуальным шарниром (в случае сложной многорычажной подвески). Таким образом, если ось колеса изначально находится ниже этого шарнира, подвеска стремится сжаться и колесо частично теряет сцепление с поверхностью. А если ось колеса находится выше - подвеска растягивается и колесо получает дополнительное сцепление. Однако, в любом случае эта сила направлена на "стабилизацию" подвески в определенном положении, то есть, как правило, работает против ее хода. (см.рис.7 - зеленая стрелка)