Устройство амортизационной вилки

Амортизационные вилки (англ. suspension fork) применяются на велосипедах, предназначенных для использования на неровных рельефах местности, на бездорожье, на больших скоростях и т. п. Они 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 жёсткими — больший вес и цена, необходимость в систематическом техническом обслуживании, подверженность паразитной раскачке при силовом педалировании, т.е. происходит «гашение» энергии.

Принцип действия

Любая амортизационная вилка состоит из пружины и демпфера. Пружина гасит ударные нагрузки, она может быть стальная или пневматическая. Демпфер гасит колебания (он должен быстро сжиматься и медленно возвращаться в начальное состояние) и может быть воздушный, масляный или эластомерный.

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.

Настройка амортизационной вилки

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

Предварительная нагрузка (preload)

Определяет просадку вилки под весом велосипедиста в статичном положении (сэг). В простейших моделях заметного влияния на характеристики вилки не оказывает. На пружинных вилках это достигается «поджатием» или заменой пружины на модель с другой жёсткостью. На воздушных — изменением давления воздуха в позитивной камере.

Отскок (rebound)

Регулировка скорости отскока амортизационной вилки (скорости возврата в исходное положение). На шоссе и ровных дорогах обычно устанавливают медленную скорость отскока. В иных случаях осуществляют регулировки, исходя из местности и личных предпочтений. Некоторые вилки имеют системы, позволяющие ей самостоятельно изменять скорость отскока и другие параметры, в зависимости от трассы и характеристик движения. На простейших вилках регулировка отскока не предусматривается.

Скорость сжатия (compression)

Регулировка, отвечающая за скорость сжатия вилки под воздействием ударов от поверхности. Различают высокоскоростное и низкоскоростное сжатие.

Низкоскоростное сжатие (low-speed compression) — наиболее важная и часто встречающаяся регулировка скорости сжатия. Позволяет точно настраивать чувствительность вилки при обработке мелких неровностей трассы, минимизировать раскачку при педалировании, клевки при торможении, перераспределении веса в поворотах и т.п.

Высокоскоростное сжатие (High-speed compression). Отвечает за настройку работы вилки на больших неровностях, при высоких скоростях перемещения штока вилки (например, при приземлении с трамплинов). Эта регулировка характерна для вилок экстремальных серий.

Регулировка длины хода вилки (Extension Control)

Продвинутые конструкции вилок имеют возможность плавного или ступенчатого изменения хода. Это позволяет использовать велосипед, на котором установлена такая вилка, для самых широких условий эксплуатации.

Пружина сжатия (positive spring)

В простейших вилках регулировка пружины, работающей на сжатие, располагается в верхней части ноги вилки («пластиковые «барашки» на одной или обеих сторонах ног вилки). Этим достигается более-менее приемлемый сэг. На пружинных вилках средне и высокого ценового диапазона, при необходимости существенного изменения жёсткости пружины сжатия, этого можно достичь только заменой пружины.

На воздушных вилках регулировка осуществляется легко и просто — путём изменения давления воздуха в позитивной камере.

Пружина отбоя (negative spring)

Определяет начальные параметры хода вилки, позволяя регулировать базовые параметры реакции вилки на небольшие неровности. Наиболее просто и эффективно регулировка пружины, работающей на отбой, регулируется на вилках с воздушной негативной камерой.

Блокировка (LockOut)

Блокировка хода амортизационной вилки (вилка становится «жёсткой»).

Внешнее устройство

Наиболее удобно ознакомиться с внешними элементами велосипедной вилки по наглядной картинке, приведённой справа.

Шток — это ось вилки, которая неподвижно соединена с короной. Он необходим для установки вилки на раму велосипеда (в рулевую колонку), а также для закрепления выноса вместе с рулём. Шток может быть изготовлен из стали, алюминия или карбона.

Корона — элемент, в котором закрепляется шток и ноги веловилки. У однокоронных вилок шток и ноги неразделимо соединены с короной. У двухкоронных вилок шток жестко соединён только с нижней короной, верхняя корона подвижно надета на шток, при этом ноги можно регулировать по длине. Короны изготавливаются литьём из алюминия, с возможной последующей ковкой (для вилок среднего и высшего класса) или карбона (для вилок полностью изготовленных из карбона).

Нога — деталь, которая подвижно входит в штаны у амовилки или непосредственно удерживает переднее колесо у жесткой вилки. В ногах амортизированных вилок (внутри труб) находятся пружины и демпферы, регулятор жесткости, блокиратор амортизации. У жестких вилок ноги принято называть перьями.

Ноги вилок изготавливаются из твердой углеродной стали, их поверхность хромируется. Качество обработки поверхности и толщина хромирования выше у более дорогих вилок.

Штаны — цельная деталь, состоящая из двух стаканов и соединяющей их вместе жесткой скобы (гориллы). Данная деталь имеется только у амортизированной вилки. Штаны у вилок перевёрнутого типа представляют собой деталь объединяющую стаканы и корону воедино.

Штаны для большинства вилок среднего и высшего класса изготавливаются из сплава алюминия с магнием. Чем выше процент магния в сплаве с алюминием, тем прочнее отлитая деталь. Более дорогие модели имеют большее содержание магния в алюминиевых деталях, и они соответственно надежнее. Штаны у некоторых вилок высшего класса производятся многослойным построением из алюминиевого сплава и карбона.

Крепление дискового тормоза — две полые стойки с внутренней резьбой для неподвижного закрепления каллипера (велосипедного суппорта).

Брейк боссы — две оси с внутренней резьбой, на которые подвижно надеваются рычаги ободных тормозов (V-brake).

Дропауты — крепления для оси в виде ушек на нижних концах штанов. Как следует из англоязычного названия, они позволяют быстро снять колесо, ослабив лишь гайки или эксцентрики на оси. Применяются различные стандарты дропаутов: QR9 введен для обычных тонких осей диаметром 9 мм, QR15 — закрытые ушки для вставной полой оси диаметром 15 мм, QR20 — закрытые ушки для вставной полой оси увеличенного диаметра 20 мм.

Дропауты на большинстве вилок отливаются цельно со штанами. А если штаны выполнены из карбона, тогда эти крепления являются отдельными деталями из алюминиевого сплава. На некоторых моделях высокого класса дропауты изготавливаются из нержавеющей стали, чтобы они в дальнейшем не ржавели. Отлитые из алюминиевого сплава дропауты при повреждении лакокрасочного покрытия ржавеют из-за коррозии магния.

Внутреннее устройство

Пыльники

На дорогие вилки резиновые пыльники в форме гармошки не устанавливаются. На модели среднего и высшего класса устанавливаются неопреновые пыльники цельно с сальниками.

Сальники

Сальники — это детали препятствующие попаданию вовнутрь вилки воды и грязи, тем самым сохраняя смазку в годном состоянии. Когда сальники повреждаются, тогда под них попадает грязь и песок, которые царапают ноги вилки.

Направляющие

Направляющие — пластмассовые тонкостенные втулки, которые установлены внутри штанов вилки. Они закрепляются внутри с помощью фиксирующих язычков.

Регулятор жесткости

Регулятор жесткости — болт внутри наружной гайки, который предварительно сжимает пружину в одной из ног вилки. Иначе он называется регулятором преднагрузки (preload). Механизм регулятора имеет простое устройство: внутри гайки находится полый стержень с наружной резьбой. Вращающее движение от ручки передается на стержень, которое преобразуется с каждым оборотом по резьбе в линейное перемещение стержня.

Блокиратор амортизации

Блокиратор амортизации — механизм в одной из ног вилки, который одним движением рычага превращает вилку в обычную жёсткую. Сам рычажок, на разных велосипедах, может переключаться непосредственно на вилке или дистанционно через трос соединенный с переключателем на руле.

На бюджетных моделях вместо регулятора жёсткости и блокировки амортизации устанавливаются пластмассовые заглушки.

Механизм блокировки состоит из двух частей: верхнего и нижнего ограничителя. Принцип работы простой: при переключении рычага, проворачивается верхний ограничитель, и при таком положении стержень нижнего ограничителя уже не может пройти в отверстие верхнего и вилку заклинивает.

Пружины

В вилке велосипеда они нужны для преобразования энергии удара переднего колеса об препятствие в упругую деформацию металла. Их можно разделить на следующие типы:

  • пружинные
  • пружинно-эластомерные;
  • воздушные
  • масляно-воздушные;
  • масляно-пружинные.

В пружинных, пружинно-эластомерных, пружинно-масляных вилках установлены металлические витые пружины, они изготавливаются из стали или титана. В воздушных и воздушно-маслянных вилках роль пружины выполняет сжатый воздух.

Пружинные амортизационные вилки

Самый дешевый амортизационных вилок. Состоят просто из одной или двух пружин в ногах амортизационной вилки. Как амортизатор работать не могут — так как отсутствует демпфер, но все-таки добавляют комфорт в езде. Не регулируются или же регулируется только Preload.

Пружинно-эластомерные амортизационные вилки

В такой амортизационной вилке, помимо стальной пружины, стоит стержень из полимерного материала (эластомер), который и выполняет роль демпфера (на холоде эластомер твердеет и не работает). Бюджетный вариант амортизационной вилки, не «текут» маслом и не «травят» воздух. Не регулируются или же регулируется только Preload, может быть LockOut.

Воздушные амортизационные вилки

Роль амортизатора и демпфера выполняет воздух накачиваемый в амортизационную вилку насосом. Самые лёгкие вилки. Для того, чтобы сжатый воздух из закрытой камеры не стравливался, применяются дополнительные уплотнения в сальниках. Необходимые уплотнения увеличивают трение при рабочем ходе, поэтому воздушные вилки имеют низкую чувствительность при гашении малых толчков. В дорогих моделях этого типа проблема чувствительности решается установкой дополнительной воздушной камеры. Уплотнители воздушных вилок затвердевают на морозе и начинают понемногу стравливать воздух.

Масляно-воздушные амортизационные вилки

В этой амортизационной вилке роль демпфера выполняет заполненный маслом картридж (открытая/закрытая масляная ванна), пружиной служит воздух, накачиваемый насосом. Более дешевый аналог масляно-пружинных амортизационных вилок.

Масляно-пружинные амортизационные вилки

Демпфером служит картридж, заполненный маслом. Пружина выполнена из стали. Наиболее надежные, удобно настраиваемые и дорогостоящие амортизационные вилки для велосипедов.

Демпфер

В амортизационной вилке он необходим для замедления отскока пружины после её сжатия. При резких отскоках вилки вверх нарушается сцепление переднего колеса с дорогой. К тому же постоянные толчки становятся причинной сильной усталости у велосипедиста и даже боли в руках. Демпфер снижает вредные удары при резком возврате амортизированной вилки в исходное состояние.

В пружинных и воздушных вилках демпфера нет. В них энергию сжатой пружины лишь несущественно снижает трение между ногами вилки и сальниками или направляющими.

В пружинно-эластомерных вилках используется эластомерный демпфер. Этот демпфер является куском мягкой пластмассы, который вставляется вовнутрь пружины. Когда пружина сжимается, вместе с ней сжимается мягкий пластик, при этом увеличиваясь в диаметре. При отскоке пружина не может быстро разжаться из-за удерживающего её демпфера.

Чтобы твердая металлическая пружина не разрушила вставленный в неё мягкий пластик, он должен быть покрыт густой смазкой. Смазка с эластомерного демпфера постоянно стирается пружиной в процессе эксплуатации.

В пружинно-маслянных и воздушно-маслянных демпфером является масло. Когда вилка движется вниз, масло быстро перетекает через открытый внутренний клапан. При возврате вверх, этот клапан закрывается, а масло медленно просачивается через маленькие отверстия. При этом энергия сжатой пружины переходит в тепловую энергию, которая рассеивается маслом.

Масляные демпферы различаются на три типа:

  • Открытая ванна. Масло находиться в обоих цилиндрах штанов вилки, и с обеих сторон устанавливаются клапаны.
  • Полуванна. Масло необходимое для работы лишь одного клапана находится в одной из ног вилки и не должно вытекать в её штаны.
  • Закрытый. Масляный демпфер изготовлен в виде герметичного неразборного картриджа. В этом изделии, кроме демпфера также собирается механизм блокировки амортизации.