Где же кончается рама?
5 февраля 2009
Мотор несущий
«Птичья клетка» суперспортивного Desmosedici RR от Ducati. Она предельно компактна, в силовую структуру включен двигатель, на нем закреплены детали задней подвески.
Что объединяет между собой такие разные спортбайки, как Bimota Tesi 3D, Vyrus, BMW HP2 Sport и Ducati Desmosedici? Общее у них то, чего, по сути, у них нет – рамы. Рамы в привычном понимании, как отдельного несущего элемента, на котором закреплены подвески и двигатель. У перечисленных мотоциклов, с мощностью от 80 до 200 л.с., вместо традиционной конструкции мы видим странный элемент из алюминия под названием Omega – на Tesi и Vyrus, на HP2 Sport фрагменты скелета, и половину от привычной клетки на Desmosedici RR. Примеры можно продолжить: Honda на своей CBR1000RR уменьшила количество элементов в раме с девяти до четырех, доведя ее вес до 2,5 кг, и радикально изменила силовую конструкцию последней версии VFR, у которой теперь мотор является несущим элементом. Итак, где же заканчивается рама у современного мотоцикла?
Впервые попытка доказать возможность обходиться без рамы была предпринята в 1978 году Андре Де Кортанце, создателем модели Elf, у первого прототипа которого рычаги подвески крепились прямо к картеру мотора. В течение 20-ти лет об этом эксперименте почти не вспоминали, однако общая тенденция к уменьшению масс и размеров мотоциклов заставила вновь обратиться к подобным решениям. Первой ласточкой стала в 1998 году революционная Yamaha R1, которая имела, помимо прочего, самый короткий двигатель и самый длинный рычаг задней подвески в своем сегменте. Короткая рама и длинный рычаг – это мантра, которую повторял перед сном каждый инженер, проектировавший спортивные мотоциклы в те годы. Уменьшение размеров рамы и двигателя позволяет создать более компактную, легкую и одновременно более жесткую структуру, а более длинный задний рычаг улучшает работу подвески. Но в определенный момент наступает предел, и уменьшать конструкцию больше невозможно, тогда приходится отказываться от одних элементов и заставлять другие совмещать сразу несколько функций. Именно этот путь открыл Де Кортанце своими идеями.
Любопытно, что именно Yamaha начала нынешнюю эру современных мотоциклетных рам, которая началась с появлением знаменитого Deltabox на FZR1000 в 1987 году. До этого момента рамы представляли собой хребтовые конструкции или, в лучшем случае, замкнутые по периметру мотора структуры. Deltabox соединял оси вращения передней вилки и заднего рычага самым лучшим, с конструктивной точки зрения, образом – по прямой линии. Идея «прямой линии» была осуществима и трубчатыми конструкциями, и литыми деталями, таким образом, принцип Deltabox просматривается в большинстве современных рам. Yamaha каждый раз повышала жесткость конструкции, сначала увеличивая сечения, а затем включив двигатель в силовую структуру, следуя своей доктрине, согласно которой чем жестче рама, тем лучше работа подвесок и управляемость. По сравнению с 1987 годом, мощность двигателей заметно возросла, выросли рабочие обороты, особенно в классе «600». Рамы не увеличились в той же пропорции, а наоборот, сжались и стали значительно легче. Гонка за жесткостью рам в последние несколько лет замедлилась, а в некоторых случаях конструкторы сознательно увеличивают их эластичность. Парадоксально, но это делается ради улучшения управляемости мотоцикла. Попытаемся разобраться, как жесткость рамы влияет на управляемость.
Накопление знаний и опыта и совершенствование инструментов расчета позволило исследовать зависимость поведения мотоцикла от настроек подвески, свойств резины и от жесткости рамы. Таким образом были выявлены закономерности взаимодействия этих компонентов, в равной степени справедливые как для гоночных мотоциклов, так и для серийных, гражданских, включая уже упомянутые BMW, Vyrus и Tesi. Согласно результатам расчетов, увеличение жесткости рамы не всегда означает улучшение управляемости, но часто приводит к снижению общего комфорта мотоцикла, повышает нагрузку на амортизаторы и создает новые требования к покрышкам. Жесткость рамы влияет и на эффективность торможения: два мотоцикла с одинаковыми передними вилками и обутые в одинаковую резину, но с разными по жесткости рамами будут тормозить по-разному. Первыми, кто в 90-х годах начал проектировать спортбайки с учетом этих особенностей, были конструкторы «Дукати», позже к подобным выводам пришли и японские инженеры. За последнее десятилетие единственным исключением оставалась Yamaha, продолжающая придерживаться традиционной школы проектирования: уровень жесткости рамы составляет примерно 250% от аналогичного показателя других производителей. Однако позапрошлый сезон MotoGP показал, что лимит уже выбран, когда у Росси на его М1 были постоянные трудности с вобблингом. Потом эта проблема Валентино была решена, и все встало на свои места. Одновременно на модели R1 2007 года была снижена жесткость рамы, что весьма положительно отразилось и на комфортности, и на поведении подвесок и резины.
Похудение со вкусом
Прекращение гонки за жесткостью конструкции не остановило прогресс. Сегодня инженеры особое внимание уделяют работам по снижению веса. Больше других этой проблемой озабочены BMW и Ducati, рамы которых никогда не отличались легкостью. Японцы тоже очень плотно работают в этом направлении, каждую новую модель делая легче предыдущей, в том числе за счет уменьшения веса рамы. Оценить результаты этой работы можно по одному факту: на долю связки рама + маятник у современного спортивного мотоцикла в среднем приходится около 10% от общей массы, а один диск заднего колеса весит больше, чем рама! Но в основном уменьшение веса происходит за счет ненесущих элементов конструкции: например, можно легко отыграть 2–3 кг веса, изготовив выпускную систему из титана или более тонкой нержавеющей стали при помощи гидроформования. Но в то же время трудно представить, что уменьшение размеров рамы происходит только ради снижения веса. Для этого есть и другие причины. Победы Ducati на этапах MotoGP демонстрируют то, что стальная рама типа «птичья клетка» не уступает по всем показателям алюминиевым дельтабоксам. Чтобы выдержать показатели веса и прочности конструкции со стальной рамой на уровне конкурентов, Ducati вынужден включать в силовую схему двигатель, в то время как Yamaha, например, использует противоположную доктрину с частично несущим двигателем, изолированным от подвесок. С другой стороны, стоит отметить, что характеристики рамы все же не являются решающими в спорте. Основная тенденция на сегодня – увеличение числа точек крепления двигателя к раме, полное включение его в силовую структуру и одновременно смещение вперед оси рычага задней подвески и его удлинение. Длина заднего рычага – важная величина, которая во многом определяет поведение мотоцикла, например, снижает вероятность отрыва переднего колеса от дороги при резком разгоне: действительно, первая YZF-R1 благодаря очень длинному заднему рычагу позволяла пилотам более полно использовать потенциал мотора и прощала им многие ошибки. Эта тенденция в большей или меньшей степени затронула всех производителей: с 1998 года задний рычаг R1 вырос с 574 до 610 мм, в то время как у Ducati (чей двигатель очень длинный) – с 470 мм на 916 до 505 мм на 1098. У мотоциклов класса MotoGP эта величина находится в пределах от 640 мм до 665 мм. К примеру, если раньше производители цепей поставляли свои изделия с запасом длиной в 120 звеньев, которые нужно было укорачивать под конкретный мотоцикл, то сейчас нормальная длина стандартной цепи составляет уже 120 или 122 звена. С другой стороны, увеличение длины заднего рычага может привести к нежелательному увеличению неподрессоренной массы. Рычаг испытывает большие нагрузки в разных направлениях: сжатие при разгоне, изгиб при торможении и кручение в поворотах, и в любой ситуации он должен сохранять свою геометрию. Поэтому конструкторы спортивных мотоциклов давно отказались от традиционных плоских рычагов из алюминиевых труб прямоугольного сечения, сейчас это сложная пространственная конструкция с внутренними ребрами жесткости, порой весьма причудливой формы. Это сильно повышает стоимость проектирования и производства детали и ее вес, который часто значительно превышает вес рамы. Чтобы удержать цену рамы и заднего рычага в разумных пределах, инженеры пытаются использовать новые технологии литья и формовки, позволяющие уменьшить количество заготовок для сборки. В итоге рама, целиком изготовленная литьем под давлением, стоит вдвое меньше рамы, к примеру, Aprilia RSV, которая собрана из литых и штампованных деталей при помощи девяти метров сварного шва.
Большие изменения в ближайшем будущем ожидаются в конструкции подвесок и новых моделях резины. Эти новости заставят серьезно пересмотреть геометрию и материалы мотоциклетных рам. Яркий тому пример – прототип Aprilia FV2. Его рама сделана из таких непривычных материалов, как магний и карбон. И, кроме того, продолжится тенденция к уменьшению жесткости конструкции с полностью несущим мотором, наподобие японских бигбайков 70-х годов. Новая эра в мотоиндустрии уже на пороге.
Рама-минималист для эндуро
«Мото Гуцци Stelvio», конечно, не суперспортивен, но он построен по прогрессивной схеме с несущим двигателем, что позволило сделать его раму очень легкой. Такие же цели преследовали конструкторы KTM RC8 и BMW HP2 Sport, у которых отсутствует полноценная рама в традиционном смысле.
Yamaha R1 стала родоначальницей новой тенденции в проектировании мотоциклов: укорачивание рамы и удлинение рычага задней подвески. Длина рычага за десять лет эволюции этой модели постоянно увеличивалась, достигнув 610 мм, при этом деталь не прибавила заметно в весе. Что касается рамы, после длинной гонки за ее жесткостью (которая в итоге получилась более чем в два раза выше, чем у конкурентов), на модели 2007 года было решено вернуться к показателям, как у первой R1 1998 года.
Флагманская серия супербайков Ducati (916, 996, 998, 999 и 1098) никогда не могла похвастаться длинным рычагом задней подвески, в первую очередь из-за особенностей компоновки L-образного двигателя. Однако ценой огромных усилий проектировщиков удалось добиться удлинения рычага на 35 мм и достичь сопоставимых с первой R1 размеров. На 999 был применен двойной рычаг, что позволило серьезно увеличить жесткость на скручивание и снизить вес, но на модели 1098 было решено снова вернуться к консольной схеме крепления заднего колеса, в первую очередь в угоду имиджу. Жесткость рамы тоже постоянно возрастала от модели к модели, но более умеренными темпами. Больше внимания уделялось облегчению структуры, и на модели 1098 удалось значительно снизить вес. Последняя колонка на графике принадлежит Desmosedici RR, рама которого чрезвычайно жесткая и легкая, благодаря ее компактным размерам, в первую очередь небольшой длине. Несущий мотор и карбоновый хвост здесь творят чудеса.
Секретные картинки
Некоторое время назад появились эти рисунки, которые предположительно относились к патенту, принадлежащему Honda, которая решила пересмотреть конструкцию рамы своего популярного VFR. В этом случае двигатель становится полностью несущим элементом конструкции, соединяющим между собой переднюю и заднюю части мотоцикла. Очевидно, такая структура будет менее жесткой, чем традиционная диагональная рама.
Когда Япония росла
Те, кому сегодня еще нет 30-ти, росли в эру электроники, когда уже существовали и электронный впрыск, и АБС, и трекшн-контроль. Ну а те, кто на несколько лет постарше, еще могут вспомнить, как на смену конструкциям, остававшимся неизменными на протяжение десятилетий, внезапно пришли новые, из других материалов и созданные по другим технологиям. Рамы, которые до этого робко прятались под баками и седлами, вдруг вылезли наружу, стали большими и блестящими, налились силой, как мускулы культуриста (на крайний случай, легкоатлета, в зависимости от класса мотоцикла). Это было в середине 80-х, когда за пределами Японии царили классические конструкции, такие как Harley или альтернативная ему BMW. «Птичью клетку» Ducati можно считать выжившим динозавром, в первую очередь благодаря трудам Фрица Ейли и молодого Тамбурини, работавших тогда над первыми Bimota. И все же тенденции в мире мотоциклов тогда диктовала только Япония, а Европа с трудом за ней поспевала. И первые революционные диагональные рамы появились там же, в Японии, в 1987 году, под именем Deltabox на Yamaha FZR1000. Справедливости ради, японцы были не только первыми, но и последними, кто перешел на диагональные рамы: в 1996 году Suzuki на своем GSX-R750 наконец решилась отказаться от своей традиционной фирменной схемы с двойной замкнутой структурой в пользу новых технологий.
Что еще нового произошло за последние два десятилетия? В первую очередь, это время было отмечено безумным прорывом в развитии двигателестроения, это и повсеместный переход на жидкостное охлаждение, и распространение многоклапанных систем газораспределения, и новые материалы. И здесь, как правило, опять впереди всех оказывались японцы, которые смогли выжать из своих моторов такую мощность, о которой раньше нельзя было и мечтать. Часто избыточную мощность было трудно контролировать, что приводило к проблемам с управляемостью, причем не только в поворотах, но даже и на прямых участках. Это заставило конструкторов искать новые компоновочные решения. Выход был найден и, как водится, в первую очередь опробован в соревнованиях: первый Deltabox дебютировал на гоночном YZR500 2T в 1983 году. (На самом деле, он появился годом раньше в классе «250» на испанском JJ-Cobas. Антонио Кобас является пионером и в создании «птичьих клеток» для MotoGP – прим. ред.) Ей принадлежит разработка и внедрение в 1982 году принципиально новой задней подвески Monocross, которая и заставила разработчиков из Иваты по-новому взглянуть на конструкцию рамы. Тогда на Yamaha и решили, что жесткости много не бывает, и заменили трубчатую раму с двойными боковыми брусками, разработанную всего годом раньше, гораздо более жестким «дельтабоксом». Помимо большей жесткости, «дельтабокс» давал преимущество в размещении механических органов постоянно усложняющегося гоночного двухтактного мотора (с дисковым газораспределением, карбюраторами и клапанами на выпуске). Yamaha OW70 1983 года имела еще более радикальную архитектуру, необычную даже для продвинутых гранприйных мотоциклов, ее рама одновременно являлась бензобаком, что, впрочем, не соответствовало техническим требованиям и не позволило ей принять участие в гонках. Но самым ярким мотоциклом тех лет, возможно, является Elf X (фото вверху), экстравагантное детище французского инженера Андре де Кортанце, который еще в 1978 году попытался почти полностью отказаться от рамы, закрепив рычаги передней и задней подвески непосредственно на картере мотора, который и был главным несущим элементом мотоцикла. Его эксперименты продолжались до 1988 года, до модели Elf 5, и были прерваны, несмотря на большое количество опробованных конфигураций, результаты оставались скромными. Близки по духу ныне здравствующие модели Bimota Tesi (на фото) и Vyrus, которые обладают потенциалом к развитию, но составить конкуренцию традиционным схемам пока не могут.
Спустя некоторое время стало ясно, что стремление к уменьшению размеров рамы имеет под собой еще один мотив: огромные мощности потребовали удлинения заднего рычага подвески и смещения его оси вперед, для обеспечения большей устойчивости мотоцикла. И в 1997 году дебютировала R1.
текст: Кристиан Кавачутти МотоРевю 2008