Wstęp
Rozdział ten skupia się na podstawach projektowania poziomych trójkołowców. By być zrozumiałym dla większości czytelników uprościłem wiele definicji i szczegółowo opisałem technologie. Jeśli masz jakieś problemy lub czegoś nie rozumiesz możesz do mnie napisać rhorwitz@activepower.com.(oczywiście po angielsku - przyp. J.S.)
Układ Tadpole (2-1) kontra układ Delta (1-2)
Przed rozwinięciem tematu chciałbym wyjaśnić dlaczego jestem
zwolennikiem układu dwu kół z przodu i jednego z tyłu potocznie zwanego jako układ
Tadpole (2-1).
Najbardziej popularnym układem kół w trójkołowcach jest jedno z przodu i dwa z tyłu
zwany układem Delta. Ma on wiele zalet jak np. niskie koszty, mała waga i prostota,
ale ma też i znaczącą wadę: słabe właściwości jezdne. Chociaż w dobrze zaprojektowanym
trójkołowcu w układzie Delta wada ta jest minimalnie zaznaczona, to jednak nie może się on
równać z poziomem w układzie Tadpole. Ze względu na to, że nie mam zbyt wielu kontaktów z
trójkołowcami w układzie Delta, bazuję na artykułach porównujących obie konfiguracje.
W tych publikacjach układ Tadpole wysuwa się na prowadzenie ze względu na funkcjonalność i
ergonomię. Reasumując, w tych artykułach twierdzi się, że trójkołowce w układzie 1-2 są
nadsterowne. Dla odmiany jednak, jedyny trójkołowiec w układzie Delta jakim zdarzyło mi
się jechać był podsterowny.
Jednak większość ludzi zgadza się z tym, że właściwości jezdne układu 2-1 są
odrobinę bardziej przewidywalne niż układu 1-2.
Układ 2-1 wykorzystuje te same zasady projektowania geometri układu kierowniczego jakie są stosowane w samochodach. Natomiast trójkołowiec w układzie Delta korzysta z tych jakie są stosowane w rowerach. Projektując Thunderbolta myślałem o stworzeniu pojazdu bliższego samochodowi (Cycle-Car), niż rowerowi z trzecim kołem.
Sterowanie przednie kontra sterowanie tylne
Jest to jeden z tematów, które wypływają w rozważaniach na temat pojazdów HPV co kilka lat lub nawet częściej. Sterowanie tylne jest stosowane zarówno w trójkołowcach o układzie 2-1 jak i 1-2 jednak bez większego sukcesu. Mimo, że sterowanie tylne ma wiele zalet, takich jak: prostota wykonania, mały ciężar oraz mały promień skrętu, to jednak trójkołowiec o właściwościach jezdnych wózka widłowego nie stanowi zachęcającej propozycji dla ewentualnego przyszłego nabywcy.
Trójkołowce sterowane pochylaniem się jadącego
Są to pojazdy, których sterowanie odbywa się przez pochylanie się kierującego w stronę zakrętu. Istnieje wiele odmian tego typu sterowania ale najbardziej godnym uwagi jest ten gdzie fotelik pochyla się razem z ramą co wychyla koła do skrętu. Drążek sterowniczy jest przymocowany do ramy, co pozwala jadącemu wychylać fotelik na boki, a tym samym sterować. To, że jadący pochyla się w kierunku skrętu, powoduje przemieszczenie się środka ciężkości, który znajdując się we właściwym miejscu daje takim trójkołowcom znakomite właściwości jezdne przy małych szybkościach. Pomysł jest podobny do sterowania rowerem z jednym znaczącym wyjątkiem: pochylanie się pojazdu jest powiązane z kątem skrętu, a nie wspomagane przez siłę odśrodkową. Wynikiem takiego układu jest to, że nie za bardzo nadaje się on do sterowania przy dużych szybkościach. Oczywiście, podany tu przykład nie musi być charakterystyczny dla wszystkich trójkołowców sterowanych pochylaniem się jadącego
Ostatnio powstały również takie rozwiązania powyższego tematu, które pozwalają na wychylanie się przednich kół w kierunku skrętu. To nie tylko polepsza właściwości jezdne trójkołowca, ale również zmniejsza boczne siły działające na koła co pozwala na zwiększenie ich średnicy. Jednak, jak to jest ze wszystkimi nowymi technologiami pomysł ten wymaga udoskonaleń, które uczynią go łatwym w zastosowaniu.
Najważniejszą cechą trójkołowca jest to, że stanowi on stabilną platformę i nie wymaga balansowania (jak rower tradycyjny). Mimo, że sterowanie pochylaniem się jest znakomitym rozwiazaniem przy małych szybkościach, wymaga to jednak utrzymania równowagi.
Przedni kontra tylny napęd
Jedną z zalet przemysłu rowerów poziomych jest jego otwartość na nowe technologie i szybki rozwój. Właśnie przedni napęd jest jednym z tych rozwiązań, które są często unowocześniane. Główną zaletą tego typu napędu jest jego zwartość i wysoka sprawność. Obecnie dwóch producentów skonstruowało trójkołowiec w układzie 2-1 z przednim napędem. Technologia ta jednak jest dopiero w powijakach i jej twórcy maja jeszcze wiele problemów do rozwiązania. Najważniejsze to duża waga i względy niezawodności. Zapewne w niedalekiej przyszłości problemy te zostana rozwiązane i taki napęd będzie znaczącą alternatywą dla długiego łańcucha tylnego napędu.
Trójkołowce z amortyzowanym zawieszeniem
Dobrze zaprojektowany system amortyzujący może zaoferować łagodną
jazdę jak po sznurku niezależnie od rodzaju drogi. Do niedawna jednak większość takich
rozwiązań ograniczała się do przedniego amortyzatora, jako że środek ciężkości
jest umiejscowiony ponad przednimi kołami. Jednakże lekkie tłumienie przednich amortyzatorów
utrudnia prowadzenie, bo wtedy trójkołowiec ma skłonność do kołysania się na boki.
Bardziej wyrafinowne systemy zawieszenia korzystają z konfiguracji równoległobocznej,
która zmniejsza kołysania i nurkowanie.
Prostsze rozwiązania redukują te efekty przez ograniczenie skoku amortyzatorów do mniej
niż 25 mm.
Tylne zawieszenie, jako że nie wpływa tak na jakość jazdy i sterowność trójkołowca, rozwija się szybciej i jest bardziej popularne. To, że korby są tak daleko od wachacza pozwala na prostsze (w konstrukcji) prowadzenie łańcucha, a co za tym idzie na łatwiejsze zaadaptowanie takiego typu zawieszenia do trójkołowca w układzie 2-1. W tym układzie tylne koło zostaje poddawane mniejszym niż 1/3 ogólnym obciążeniom dynamicznym odczuwanym przez jadącego. Jednakże wachacze są bardziej podatne na siły boczne , niż to ma miejsce w tradycyjnym sztywnym trójkącie.
Podstawy projektowania ram trójkołowców
W tym podrozdziale chciałbym omówić podstawowe aspekty związane z projektowaniem trójkołowca w układzie 2-1. Opiszę je w kolejności ich znaczenia dla optymalnej konstrukcji , tak aby czytelnicy zrozumieli, że poprawny plan to kompromis między wymienionymi poniżej aspektami.
Rozkład ciężaru
Rozkład ciężaru określa sposób w jaki trójkołowiec się prowadzi. Większy ciężar na przednich kołach to łatwiejsze wchodzenie w zakręty. Ale zbyt duży ciężar powoduje, że tylne koło jest za lekkie i wpada w poślizg w ciasnych zakrętach lub podskakuje przy hamowaniu. Natomiast zbyt duży ciężar na tylnym kole to możliwość wywrotki nawet na łagodnych zakrętach. Optymalny rozkład ciężaru dla trójkołowca 2-1 to 70/30.
Środek ciężkości
Zapomnij wszystko co napisałem o rozkładzie ciężaru. Jeśli środek ciężkości jest położony sporo pod poziomem osi trójkołowiec będzie się znakomicie prowadził niezależnie od rozkładu ciężaru. Jasne jest jednak, że niskie pojazdy mają wiele wad np. słaba widoczność, zarówno jego samego jak i z niego; niższy poziom bezpieczeństwa i komfortu.
Rozstaw osi
Parametr ten wpływa bezpośrednio na sterowność, rozkład ciężarów i ogólny komfort. Rozkład osi to odległość pomiędzy osią koła tylnego a osią(ami)kół przednich. Mały rozstaw daje mały promień skrętu, a duży rozstaw powoduje, że trójkołowiec jest mniej zwrotny. Mały rozstaw osi powoduje, że ciężar rozkłada się głównie na przednim zawieszeniu. Z drugiej strony jednak większy rozstaw osi daje dardziej "miękką" i łagodną jazdę. W konstrukcjach Thunderbolta i Zephyra zastosowałem rozstaw o wymiarze 43 cali (109,2 cm). By jednak osiągnąć najlepszą zwrotność rozstaw ten powinien być mniejszy.
Rozstaw kół
Rozstawem kół nazywamy odległość między dwoma przednimi kołami. Im rozstaw jest większy, tym mniejsza skłonność trójkołowca do wywrotki na zakręcie. Jednak nie może on być zbyt duży bo pojazd nie zmieści się na większości alejek rowerowych. Według mnie najbardziej potymalnym rozstawem jest odległość 32 cale (81,3 cm).
Geometria układu strowania
Jakość samego układu sterowania jak i jego geometria bezpośrednio wpływają na osiągi trójkołowca. Temat ten jest szczegółowo omówiony w dalszej części rozdziału.
Projektowanie ramy
Jest wiele elementów wpływających sprawność i jakość trójkołowca. Jednymi z najważniejszych są: ciężar i sztywność ramy. Poza tymi podstawowymi wymaganiami są jeszcze i inne, które niniejszym należy również wymienić. Są to: niezawodność, koszty, ergonomia i wygoda.
Przykładami takich projektów, które uwzględniają wszystkie wyżej wymienione właściwości są przestrzenne ramy trójkołowców: Greenspeed, Zephyr i Diablo. Są one zarówno niezwykle wytrzymałe jak i lekkie. Następnie mogą być ramy wzmacniane (Thunderbolt/Spitfire) , które są mocne, relatywnie lekkie i zwarte. Jednakże najmniejszą wagę, najniższy koszt, a także najmniejszą sztywność oferują ramy płaskie bez wsporników fotelika (np. Terra Trike oraz starszy Trice)
Podsumowanie
Właściwie zaprojektowana rama trójkołowca poziomego to dokładnie rozważona mikstura rozkładu ciężaru, nisko umieszczonego środka ciężkości, rozstawu osi i kół oraz geometrii układu sterowania.
Geometria układu sterowania trójkołowca
Rama trójkołowca jest tylko tak dobra jak jego układ sterowania, a podobna zależność występuje również i w samochodach. Poniżej omówię sztukę geometrii układu sterowania.
Wyprzedzenie zwrotnicy koła
Jest to kąt mierzony pomiędzy płaszczyznami osi obrotu sworznia zwrotnicy i miejsca styku koła z podłożem. Jak widać na rysunku oś ta przechodzi przez płaszczyzne podłoża przed miejscem styku. Rezultatem pochylenia zwrotnic przednich kół jest to, że stają się one nadsterowne i przez układ sterowania należy przyłożyć siłę zależną od kąta pochylenia by powróciły one do położenia neutralnego. Im kąt ten jest większy tym większą siłę należy użyć. W Thunderbolt'cie kąt ten wynosi 12°, a dla przykładu podam, że w standardowym samochodzie 4-5°.
Kąt pochylenia kółJest to kąt mierzony między płaszczyzną koła a płaszczyzną podłoża. Jeśli kąt ten wynosi 90° lub jeśli odległości między górną częścią kół a dolna jest taka sama, to wówczas mówimy, że kąt jest neutralny. Natomiast jeśli odległość między górną częścią kół jest mniejsza niż między dolną to kąt pochylenia jest ujemny, a w przeciwnym wypadku jest dodatni. Zazwyczaj najbardziej pożądanym nachyleniem zwrotnic kół jest nachylenie neutralne lub ujemne. W projekcie Thunderboldta kąt ten jest zmienny, tak więc można go dostosować do własnych wymagań.
System kompensacji AckermanaSystem ten zapobiega szorowaniu przednich kół podczas skręcania. Dzieje się tak wówczas gdy przy skręcaniu koło wewnętrzne pokonuje mniejszą drogę niż koło zewnętrzne. Szorowanie to powoduje nie tylko szybsze zużywanie się opon, ale i hamowanie trójkołowca na zakrętach.
Chociaż system kompensacji Ackermana jest niezbędny, może on prowadzić do nadsterowności pojazdu przy dużych prędkościach. Aby uczynić go mniej czułym stosuje się system Anti-Ackermana. Jest to system częściowej kompensacji Ackermana, który znacznie zmniejsza uślizg kół na zakrętach. I chociaż Anti-Ackerman powoduje, że trójkołowiec lekko zwalnia na zakrętach, pozwala na stabilną jazdę przy dużych prędkościach. Mój Tbolt może jechać szybciej niż 80 km/h bez problemów ze sterowaniem, korzystając z 2° kompensacji Anti-Ackarmana.Kąt pochylenia sworznia zwrotnicy
Pochylenie pozwala na to by oś obrotu koła (obrotu na zakrętach - zobacz rys.)przechodziła przez centrum płaszczyzny opony stykającej się z drogą. Dzięki temu wszelkie defekty podłoża (koleiny, dziury, mokra nawierzchnia) dużo mniej wpływają na jakość kierowania pojazdem. Pochylenie redukuje również szarpanie podczas hamowania.
Innym "produktem ubocznym" pochylenia sworznia i wyprzedzenia osi zwrotnicy jest wychylanie się kół (do wewnątrz) podczas wykonywania zakrętów. Wychylanie to w dynamiczny sposób zmienia geometrię trójkołowca co zwiększa jego właściwości jezdne.Wielu producentów rezygnuje z zaimplementowania tego w swoich konstrukcjach. Inni robią to w nieudolny sposób, umieszczając sworzeń zwrotnicy maksymalnie blisko koła, tak by oś sworznia przechodziła jak najbliżej płaszczyzny styku opony z podłożem. Jednak w większości przypadków producenci całkowicie ignorują ten pomysł.
Położenie sworznia zwrotnicy względem osi kołaPołożenie to w drastycznie wpływa na sterowność. Jeśli oś koła znajduje się przed osia sworznia zwrotnicy nie ma efektu "kąta wyprzedzenia zwrotnicy", a sterowanie staje się nieprzewidywalne. Natomiast gdy oś koła znajduje się zbyt daleko za osią sworznia zwrotnicy na sterowanie bardzo wpływa i je utrudnia hamowanie i wstrząsy. Podsumowywując, osie te powinny przecinać się lub oś koła powinna być nie więcej niż 12,5 mm za osią sworznia zwrotnicy.
Projektowanie tylnego zawieszenia
Uwaga W tym podrozdziale opiszę budowę tylnego zawieszenia posiłkując się nomenklaturą wziętą z nazewnictwa standardowej ramy rowerowej (tzw. diamentu). I tak zawieszenie to składa się z dwu par podpór: podpory łańcucha i siodełka. Podpory łańcucha normalnie położone są w płaszczyźnie poziomej, a podpory sidełka od 30 do 70 stopni w stosunku do podpór łańcucha. Choć i to w rowerach poziomych może mieć wiele wariacji.
Projektowanie tylnego zawieszenia trójkołowca
Zawieszenie to wymaga odpowiedniej kombinacji podpór i wzmocnień by przeciwdziałać obciążeniom pionowym (rowerzysta), obciążeniom przenoszonym przez łańcuch oraz siłą skręcającym. Każda z tych sił zmienia się dynamicznie jak i również dodziaływują na siebie wzajemnie. Projektant lub budowniczy musi wziąć po uwagę każdą z tych sił, bo to one (a właściwie nie interesowanie się nimi) mogą przyczynić się do ewentualnej klęski projektu.
Obciążenia pionowe
Jak wcześniej wspomniałem tylne koło jest obciążone 25 do 35% ogólnego ciężaru trójkołowca wraz z rowerzystą. Dlatego też obciążenia te nie grają najważniejszaj roli w projektowaniu tylnego zawieszenia. Większość trójkołowców, które nie mają tzw. "trójkąta" (dwóch par wsporników) korzystają z wsporników fotelika umocowanych na podporach łańcucha. Układ taki nie jest środkiem zapobiegawczym na naprężenia skrętne, ale częściowo kompensuje obciążenia pionowe. Szczegóły na rysunku niżej.
Obciążenie łańcucha
Są to siły wywierane na korby i przenoszone łańcuchem na tylne koło. I są to głównie siły ściskające wywierane na podpory tylnego koła. Jeśli podpory łańcucha są względnie równoległe do lini łańcucha to w podporach występują siły ściskające. Natomiast jeśli podpory znajdują się pod pewnym kątem do lini łańcucha działają na nie siły gnące. Siły te zwiększają się wraz ze wzrostem kąta. W takim wypadku obciążenia pionowe kompensują częściowo te naprężenia. Reasumując, w podporach łańcucha równoległych do lini łańcucha jest dużo łatwiej wyznaczyć siły na nie działające.
Siły boczne
Siły te powstają w wyniku oddziaływania siły odśrodkowej koła. Ma to miejsce podczas każdej zmiany kierunku jazdy - tak też powstają siły skrętne działające na tylne zawieszenie. Najbardziej popularną metodą na przeciwstawienie im się jest ustawienie podpór w trójkąt. Podpory siodełka i łańcucha powinny być przymocowane do tej samej rury podsiodłowej (terminologia z konstrukcji tradycyjnej) z jak najmniejszym rozstawem w każdej parze.
Inną metodą na zmniejszenie sił bocznych jest wykorzystanie mniejszego koła. I tak wraz ze zmniejszeniem się promienia koła zmniejszają się siły odśrodkowe, a co za tym idzie można zastosować krótsze podpory, które dużo lepiej przeciwstawiają się siłą skrętnym. Wadą takiego rozwiązania może być bardziej narowista, "chropawa" jazda i zastosowanie dodatkowych przełożeń.
Inną metodą na zredukowanie tych sił może byś zastosowanie jednej pary podpór ustawionych pod kątem do lini łańcucha. Ale o tym potem.
Przykłady podpór tylnego zawieszenia
Istnieje wiele rozwiązań, ale tu przedstawię kilka najbardziej typowych by podsumować ten podrozdział.
Jedna para podpór
Wraz ze wzrostem sztywności tylnego zawieszenia, zwiększa się również niezawodność i jakość jazdy trójkołowcem. Jednak wielu projektantów wybiera tylko jedna parę podpór (a czasami tylko jedna podporę i koło z jednostronna piastą). I chociaż jest to sprzeczne z moimi zasadami projektowania trójkołowców, to muszę jednak stwierdzić , że zmniejsza to koszt i wagę pojazdu. Idąc dalej można jeszcze zastosować mniejsze koło , które spowoduje dodatkowe zmniejszenie kosztów i ciężaru oraz zwiększenie sztywności i niezawodności trójkołowca.
W mojej jednak opinii redukcja kosztów i ciężaru nie jest warta zmniejszeniu się sztywności i niezawodności konstrukcji.
Para podpór ustawiona pod kątem
W 1995 spotkałem Billa Hauzaka, który przedstawiał nową, odchudzoną wersję bardzo popularnego SWB o nazwie "Horizon". Zastosował tam, zamiast tradycyjnego trójkąta, zmodyfikowany widelec od BMXa ustawiony poziomo. Na pierwszy rzut oka wyglądało na to, że tylne koło będzie podlegało dużym siłą bocznym, ale po dokładnym sprawdzeniu okazało się, że moje wrażenie okazało się błędne. Co w takim razie uczyniło tylne zawieszenie tej konstrukcji tak sztywnym tylko z wykorzystaniem jednej pary podpór? Odpowiedzią na to jest odpowiednia geometria podpór.
Najlepszym sposobem na wyjaśnienie tej konfiguracji jest wykorzystanie standardowego przedniego koła i widelca. Ramiona widelca są skierowane pionowo w dół i siły boczne wytworzone w kole przenoszone są bezpośrednio do korony widelca. W jednej parze podpór tylnego zawieszenia układ jest identyczny jak w przednim widelcu z jednym wyjątkiem - podpory są umocowane poziomo.
Ale my pójdziemy na kompromis i ustawimy tę parę podpór pod kątem 45 stopni. Teraz mamy układ, który dużo lepiej przenosi siły boczne. To jest właśnie para podpór ustawiona pod kątem. Taki właśnie układ może zostać zastosowany w niskich trójkołowcach.
We wszystkich konstrukcjach ceną zwiększenia sztywności jest ich większa waga. W trójkołowcach zastosowanie powyższego rozwiązania łączy się ze zwiększeniem rozmiarów głównej belki.
Klasyczny "trójkąt"
Ma on już ponad 100 lat. I nic w tym dziwnego, bo nie ma lepszego rozwiązania pod względem wytrzymałości i niezawodności. Projekt ten najlepiej znosi obciążenia pionowe i naprężenia związane z pracą łańcucha. Do jego wad należy zaliczyć skomplikowaną konstrukcję, wyższe koszty i waga. Ale w porównaniu z jego zaletami uważam je za błache.
Zawieszenie jednostronne
Przykładowo podam, że można je zobaczyć w takich konstrukcjach jak: Windcheetah, AS32 i Rubicon. Koło tu jest zawieszone na jednostronnej piaście na jednej podporze łańcucha. W większości wypadków podpora ta jest przedłużeniem głównej rury ramy. Rozwiązanie to dużo bardziej od innych poddaje się siłą bocznym, a dodatkowo oś koła poddawana jest siłą gnącym. Zastosowanie małego koła redukuje te wady ale ich nie eliminuje.
Podsumowanie
To jakie będzie zawieszenie trójkołowca zależy od zapatrywań jego projektanta i budowniczego. Powyżej przedstawiłem najważniejsze rozwiązania, a sam wybrałem dla Thunderbolta klasyczny "trójkąt".
Trójkołowce w układzie 2-1 jeżdżą w niezliczonych konfiguracjach rozmiarów kół. Bo to właśnie od ich rozmiaru zależy ciężar pojazdu, jego sprawność i jakość jazdy.
Podczas testowania mojej pierwszej konstrukcji odkryłem, że przednie koła o dużych średnicach są zbyt słabe i mają tendencje do wyginania się. Najlepsze okazały się 20 calowe koła od BMXa (ERTO 406). W tyle zastosowałem koło 26 calowe, które daje małe opory toczne, a jazda jest dużo bardziej "gładka" niż na kole 20 calowym
Najważniejszą zaletą małych kół jest to, że oferują one większą niezawodność i mniejszy ciężar w porównaniu z dużymi kołami. Owa niezawodność przejawia się tym, że małe koła podlegaja mniejszym obciążeniom bocznym, a co za tym idzie lepiej je znoszą.
Zaletą dużych kół jest to, że zapewniają one stabilną i komfortową jazdę, oraz dodatkowo duże koła nie wymagają zastosowania dodatkowych przełożeń.
Mimo, że małe tylne koło to niemal same zalety, to w projekcie Thunderbolta zastosowałem 20 calowe koła BMXa z przodu i 26 calowe ATB z tyłu. Gdyby jednak ktoś nie potrzebował szosowego trójkołowca może z przodu założyć 16 calowe koła a z tyłu koło 20 calowe. Dzięki temu pojazd ważył by tylko 13,2 kg (nominalnie 15,4 kg).
Podstawową cechą roweru poziomego, dowolnego typu jest zapewnienie wygody jadącemu. Dlatego też powinno się przykładać wielką wagę do rozmieszczenia sterów, manetek, fotelika i korb.
Natomiast podstawową zaletą trójkołowca jest to, że pozycja jadącego ma niewielki wpływ na jego właściwości jezdne i osiągi (jednak tylko tak długo jak rozkład cieżaru i wysokośc środka ciężkości będą optymalne). Dzięki swojej konstrukcji trójkołowiec może podlegać różnym przekształceniom (na biurku projektanta oczywiście) by zapewnić odpowiednią ergonomię.
W trójkołowcach są dwa podstawowe typy układu sterowniczego: OSS (Over Seat Steering - drążek sterowniczy nad fotelikiem ; występuje również skrót ASS - Above Seat Steering, który znaczy to samo) oraz USS (Under Seat Steering - kierownica pod fotelikiem).
OSS - kierownica nad fotelikiem
Zalety
- Niższy ciężar
- Prostsza budowa
- Pozwala na zaprojektowanie mniejszego rozstawu kół
- Zmniejsza powierzchnię czołową co polepsza właściwości aerodynamiczne
Wady
- Kierujący nie może wykorzystać drążka jako oparcia, fotelik powinien mieć boczne oparcia by jadący był chroniony przed wypadnięciem.
- Nie jest tak popularny jak USS ze względu na zmęczenie ramion oraz brak intuicyjności obsługi i projektowania.
USS
Zalety
- Intuicyjny sposób sterowania
- Daje oparcie ramionom
- Daje oparcie przy ostrych zakrętach i eliminuje boczne oparcie w fotelu
Wady
- Cięższy niż OSS
- Większa ilość części
- Ręce jadącego są niebezpiecznie blisko kół i drogi
- Rozstaw kół powinien być wystarczający dla kierownicy
W układzie tym możliwe jest zastosowanie kierownicy podsiodłowej lub dwóch drążków sterowniczych. Drążki zapewniają największy komfort, a kierownica daje możliwość bardziej sportowej jazdy. Dodatkowo jest ona tańsza w wykonaniu i wymaga mniej części. Z drugiej jednak strony drążki powodują, że trójkołowiec prowadzi się jak po sznurku, a cały mechanizm jest prosty w regulacji.
Rodzaje mechanizmów zwrotniczych i jak one pracują
Spośród kilkunastu mechanizmów zwrotniczych omówię tu kilka najbardziej pasujących do Thunderbolta. Oto one:
Pojedynczy drążek kierowniczy poprzeczny i jedno cięgno
Ten typ mechanizmu był popularny w pierwszych samochodach i może być jeszcze stosowany w niektórych ciągnikach rolniczych. Cięgno łączy zwrotnice kół, a drążek kierowniczy łączy cały układ z ramieniem kierownicy. System ten zbudowany jest z większej ilości elementów niż dwa pozostałe (więcej też waży), ale za to łatwo się go reguluje - nie działa tu jednak system kompensacji Ackermana. Ewentuala niedokładność w ustawieniu kąta 90 stopni między drążkiem, a ramieniem kierownicy (powodująca nieliniową pracę układu), może zostać skompensowana, ale nigdy całkowicie.
Na rysunku powyżej widać ten typ przystosowany do układu OSS, a nizej dla USS.
Mechanizm zwrotniczy pokazany powyżej zastosowałem w Thunderbold'cie
Jedno z bardziej dociekliwych pytań dotyczących tego typu mechanizmu brzmiało: "Dlaczego przeguby zwrotnic są umieszczone z tyłu, zamiast z przodu - wtedy było by ich o jedeną mniej?". Odpowiedz jest oczywista. Przy zastosowaniu kompensacji Ackermana ramiona zwrotnic są regulowane w kierunku kół. I chociaż to można zrobić, ale wówczas ramiona były by zbyt krótkie - z praktycznego punktu widzenia. Dodatkowo zamontowane z przodu cięgno mogło by przeszkadzać w pedałowaniu.
Układ z podwójnym cięgnem
Rysunek poniższy odnosi się tylko do geometrii Thunderbolta. Jak widać oś ramienia kierownicy nie leży na tej samej lini co osie zwrotnic. Oczywiście można zastosować krótsze ramię kierownicy jeśli tylko jej oś zostanie cofnięta tak by cięgna były prawie równoległe. Jednak krótsze ramię może wpływać na kompensację Ackermana.
Powyższy układ został zastosowany w projekcie Thunderbolda ze sterowaniem OSS
System ten jest lżejszy i ma mniej części niż system z jednym drążkiem i jest przystosowany do sterowania ponad fotelikiem dlatego, że ramię kierownicy jest umieszczone niemal na lini sworzni zwrotnic. Główną zaleta tego systemu jest brak drążka kierowniczego wzdłużnego. Projekt ten był wykorzystany ponad 50 lat temu w Volkswagenie. By zaadaptować go do sterowania pod fotelikiem wymagana jest kierownica zamontowana za linią sworzni zwrotnic co jednak czyni cały układ bardziej skomplikowanym. Dodatkowo potrzebne jest jeszcze jedno ramię kierownicy i drążek kierowniczy poprzeczny. Szczegóły na rysunku poniżej. Długość ramienia kierownicy (mierzona od jej osi do sworznia cięgna) musi być równa długości ramion zwrotnic (mierzonych od ich osi do sworznia cięgna). Wszelkie różnice mogą zmniejszyć działanie kompensacji Ackermana.
Powyższy układ był początkowo stosowany w produkcji Thunderbolta.
Układ ze skrzyżowanymi drążkami
Jest on optymalny dla sterowania pod fotelikiem. Ramię kierownicy (ramię przekładni kierowniczej) jest umieszczone poza linią sworzni zwrotnic. Układ ten jest stosowany w trójkołowcu Greenspeed Iana Simsa. I choć doceniam jego pomysłowość, wątpliwym wydaje mi się umieszczenie układu kierowniczego na samym dole trójkołowaca. Układ skrzyżowanych drążków może zostać zaadaptowany do sterowania ponad fotelikiem po przesunięciu ramienia kierownicy do przodu. Jednak najlepiej system ten pracuje w układzie OSS po jego obróceniu o 180 stopni.
Aby zapewnić takiemu układowi sterowania odpowiednią stabilność i właściwe przeniesienie sił z kierownicy (drążka/drążków sterujących) musi być zachowana zasada kąta prostego. Mówi ona, że między drążkami a ramionami zwrotnic musi być zachowany kat prosty, gdy koła są w pozycji neutralnej. Gdy kąt ten jest bliski 0 lub 180 stopni drążek traci możliwość kontroli wychylenia zwrotnicy i stąd też kąt prosty w położeniu neutralnym by przy jakichkolwiek zakrętach nie zbliżał się on do 0 lub 180. System ten wymaga też odmiennej konstrukcji ramienia kierownicy z dwoma sworzniami do zamocowania drążków. Dodatkowo kompensacja Ackermana wymaga by miejsca tych sworzni były przesuniete do tyłu (rysunej powyżej).
Podsumowanie
Każdy system ma swoje wady i zalety zależne od jego zastosowania. Mój wybór, ze względów praktycznych i kosmetycznych padł na system z podwójnymi cięgnem.
W kilku czasopismach i artykułach są różne, wykluczające się definicje uresorowanego i nieuresorowanego ciężaru. W przemyśle samochodowym, ciężar nieursorowany to wszystko nie oparte na amortyzatorach (np. koła, układ sterowniczy, itp.). Natomiast jeśli ludzie mówią o rowerach to te dwa pojęcia uważane są za jednoznaczne. Tak też i ja będę je traktował.
Osiągi roweru czy też innego pojazdu napędzanego siłą ludzkich mięśni zależą głównie od jego ciężaru, a jeszcze bardziej od jego rozmieszczenia. Masa zgromadzona we wszelkich ruchomych częściach (np. koła, korby, łańcuch)znacząco zmniejsza ogólną sprawność pojazdu. Z lekcji fizyki wiadomo, że im większa masa tym więcej emergii jest potrzebnej by wprawić ja w ruch (większa masa również kumuluje więcej energii). Oczywiste jest również, że więcej energii jest potrzebnej by wprawić masę w ruch niż ją utrzymać na pewnej stałej prędkości. Dlatego też wszystkie ruchome części pojazdu powinny być tak lekkie jak to tylko jest możliwe.
Ciężar wszelkich nie poruszających się części (np. sam rowerzysta, rama, akcesoria) wpływa w mniejszym stopniu na ogólną sprawność i jest znaczący jedynie podczas przyspieszania i podjazdów.
Kończąc rozważania - lżejsze koła i układ napędowy są kluczem do zwiększenia prędkości i zwrotności. Spadek ciężaru części nieruchomych wpływa na nie drugorzędnie.
Nie mam specyficznych danych, które mogłyby dokładnie opisać ten temat. Przeprowadziłem jednak wiele doświadczeń z zawieszonymi na pasach i sztywnymi oparciami fotelików.
Foteliki w pojazdach HPV dzielą się na dwa główne typy: siatkowe i sztywne. Każdy ma swoje wady i zalety. Niektórzy uważają, że sztywne foteliki z oparciem z pianki osiągają największą sprawność, ale też nie potrafią udowodnić swojego twierdzenia. To samo dotyczy fotelików z siatki.
Co warunkuje najlepsze osiągi?
Najważniejszym w foteliku jest to by zapewniał on mocne podparcie dla okolicy lędźwiowej pleców. Ugięcie tej powierzchni fotelika nie powinno być większe niż 3-4 cm. Ugięcie to nie powinno być większe, by nie zmniejszać sprawności motoru jakim jest człowiek. Warunki te nie odnoszą się do fotelików o dużym kącie pochylenia oparcia.
Ważna jest również jego waga. Ostatnio kompozyty oparte na włóknach grafitowych pozwoliły na konstruowanie fotelików tak lekkich jak siatkowe na aluminiowej ramie.
Foteliki o dużym kącie pochylenia oparcia (np. takie jak w poziomach typu low-racera czy niektóre SWB) pozwalają na osiągnięcie lepszej aerodynamiki pojazdu, ale jednocześnie zmniejszają widoczność z jak i samego pojazdu.
Kryteria doboru wygodnego fotelika
Tu każdy musi wybrać sam. Osobiście wolę fotelik z siatki rozciągnietej na ramie. Siatka pozwala w miarę swobodnie oddychać skórze i jest wolna od twardych obszarów które mogą się przyczynić do powstawania odcisków. Ponadto dobrze zaprojektowany fotelik z siatki można dowolnie regulować.
Główną zaletą sztywnego fotelika jest właśnie jego twardość dająca dobry punkt podparcia dla pleców. Wadą natomiast jest magazynowanie ciepła wydzielanego przez jadącego, oraz brak regulacji w większej części fotelików. Firma Easy Racer rozwiązała część tych problemów przez zastosowanie jak gdyby tylko samego szkieletu fotelika, co minimalizuje obszar styku daje jednak odpowiednią podpore dla pleców.
Zgłówek w foteliku roweru poziomego to wspaniała rzecz. Z drugiej jednak strony kaski rowerowe produkowane są tylko dla rowerzystów korzystających z rowerów tradycyjnych i nie da się jeżdzić w nim na poziomie.
Podparcia boczne
Wielu twierdzi, że fotelik trójkołowca musi posiadać podparcia boczne zapobiegające wychylaniu się czy wręcz wypadaniu jadącego na zakrętach. To nie jest zawsze prawda. W przypadku Greenspeeda modele GTS i GTR nylonowa siatka (zwykły worek po ziemniakach) jest rozpięta na ramie i nie ma tam żadnych podpór bocznych. Ich funkcję spełnia kierownica pod fotelikiem na której opiera się kolarz. W innych przypadkach, jak np. Windcheetah czy Speedy podparcia takie są już wbudowane w fotelik. Jest to tu niezbędne bo korzystają one ze sterowania ponad fotelikiem, które nie daje tak dobrego oparcia dla rąk.
Jak już wspomniałem, wszystko wymaga kompromisów, nawet fotelik
Zanim zagłębię się w temat chciałbym zaznaczyć, że w trójkołowcach w układzie kół 2-1 zazwyczaj montuje się tylko przednie hamulce. Dlatego też w tym podrozdziale skupię się tylko na nich.
Są trzy podstawowe typy hamulców: bębnowe, tarczowe i szczękowe.
Hamulce bębnowe
Standardem w trójkołowcach poziomych są hamulce bębnowe Sachsa, model VT5000. Jest on klasyfikowany jako hamulec z jednym klockiem przeciwbieżnym. Klasyczny hamulec bębnowy korzysta z dwu klocków z wykładzinami ciernymi we wnętrzu bębna. Podczas hamowania obraca się krzywka, która z kolei rozchyla klocki w stronę ścian cylindra. Szczegóły na rysunku poniżej.
Zalety i wady hamulców bębnowych
Największą ich zaletą jest to, że zapewniają one pewne hamowanie i są zoptymalizowane dla trójkołowców o układzie kół 2-1. Do wad należy ich gorsza sprawność gdy zamokną i nadmierne nagrzewanie. Ponadto zakleszczanie się hamulca nie nastepuje linearnie i jest trudne do przewidzenia.
Hamulec bębnowy z jednym klockiem przeciwbieżnym
Hamulec ten należy do typu zakleszczających się. Podstawa ich
działania jest wykorzystywanie energii obrotowej koła do zakleszczania się klocka
hamulcowego na bębnie. W ten sposób powstaje sprzężenie zwrotne, które wspomaga działanie
hamulca.
Najważniejszym elementem w układzie zakleszczającym się jest klocek przeciwbieżnym. Obraca
się on na stałej osi. Po drugiej stronie znajduje się krzywka dociskająca klocek do bębna.
Klocek przeciwbieżnym jest zaprojektowany w taki sposób, że podczas jego dociskania do bębna
to on właśnie przez tarcie "łapie" go i jeszcze bardziej dociska. Jak mówi nazwa hamulca,
tylko jeden klocek zakleszcza się. Wskazuje to kierunek obrotu koła. W większości
przypadków producenci projektują klocek przeciwbieżnym jako większy i cięższy od klocka
biernego. Hamulce bębnowe z jednym klockiem przeciwbieżnym są szeroko stosowane w rowerach
tradycyjnych i poziomych.
Hamulec bębnowy z dwoma klockami przeciwbieżnymi
W takim hamulcu jednocześnie zakleszczają się obydwa klocki. Stała oś na której obracają się klocki jest zastąpiona jeszcze jedną krzywką. Obie te krzywki mają zmieniony kształt tak by z jednej strony spełniać rolę stałej osi dla jednego klocka, a z drugiej dociskać drugi klocek. Niestety, hamulce te nie są produkowane dla przemysłu rowerowego.
Zmniejszanie się siły hamulców bębnowych
Najczęściej następuje to w wyniku stałego używania podczas zjazdów. Po pewnym czasie takiego użytkowania, hamulce mogą stać się słabsze oraz mogą wymagać większej siły przy dociskaniu klocków do bębna.
Zmniejszanie się siły jest spowodowane przez rozszerzanie się klocków i bębna, które ma miejsce w wysokich temperaturach. Gdy hamulec jest zimny lub w pokojowej temperaturze klocek przylega dokładnie do bębna. Po ich rozgrzaniu, oba te elementy rozszerzają się i w konsekwencji nie pasują dokładnie do siebie. Stąd rozgrzane hamulce pracuja słabiej. W ostatnim stuleciu naukowcy i inżynierowie udoskonalili materiały by zapobiegać takim sytuacją.
Hamulce tarczowe
Problemy ze zmniejszającą się siłą hamulców po rozgrzaniu oraz słabą odpornością na wilgoć nie mają miejsca w hamulcach tarczowych. Zbudowane są one z dwu płaskich klocków po obu stronach płskiej tarczy. Tak długo jak oba te elementy są płaskie tak długo hamulec jest odporny na rozszerzanie się cieplne czy dużą wilgotność.
Zalety i wady hamulców tarczowych
Zaleta ich jest doskonałe i pewne hamowanie oraz to, że są optymalne dla trójkołowców o układzie kół 2-1. Działanie ich jest proporcjonalne i zapewnia łagodne hamowanie nawet w najtrudniejszych warunkach pogodowych. Wadą jest również ich waga. Są one cięższe od bębnowych. Istnieją lekkie wersje tarczówek, ale są bardzo drogie.
Ostatnimi czasy hamulce tarczowe przeznaczone dla rowerów przeżywają rozkwit. W przeszłości miały one złą reputację ze względu na duży ciężar, hałaśliwość i brak symetrii działania klocków. Teraz, dzięki nowym technologiom, hamulce te są mniejsze, mocniejsze i cichsze.
Charakterystyki hamulców tarczowych
Istnieje wiele wariacji, ale ogólnie dzielone są ze względu na sposób
przeniesienia siły z klamki na hamulec oraz ze względu na sam sposób działania.
Przeniesienie siły z klamki na hamulec
Istnieja trzy sposoby: mechaniczny, hydrauliczny i hybrydowy.
System mechaniczny korzysta z tego samego wyposarzenia jak standardowy hamulec szczękowy w rowerze. Jest nim dźwignia hamulcowa oraz linka w pancerzu. Poprzez wybieranie linki, dzięki układowi dźwigni są ściskane klocki hamulcowe, które ściskają obracającą się tarczę. Zaletą tego systemu jest jego prostota oraz łatwość konserwacji i powszechny dostęp do części zamiennych. Wadą natomiast to, że sprężystość linek i pancerza obniża siłę jaka może być przyłożona do klocków.
System hydrauliczny opiera się na dwu tłoczkach - jednym w dźwigni hamulcowej a drugim zaciskającym szczęki. Tłoczki te są połączone półsztywnym przewodem wypełnionym olejem hydraulicznym. Siła przyłożona do szczęk hamulca zależy tylko od odległości jaką przebył tłoczek w dźwigni (klamce) co czyni ten system niezwykle sprawnym. Jednak i on ma wady: dobry bywa drogi, a części zamienne są trudne do zdobycia.
System hybrydowy korzysta ze standardowych linek hamulcowych które to uruchomiajają układ hydrauliczny. Zastosowanie linek ułatwia regulacje, a hydraulika zapewnia lepszą wydajność niż system całkowicie mechaniczny.
Sposoby działania
Działanie hamulca tarczowego jest bardzo proste. Wystarczy ścisnąć dwie okładziny cierne na wirujacej tarczy i voila! I tu pojawia się problem z zapobieganiem tarcia niezaciśniętych szczęk o tarczę. Poniżej wyjaśnię dwie metody na rozwiązanie tego problemu.
W układzie z ruchomą tarczą szczęki są zamocowane w stałej pozycji (np. na zwrotnicy). Natomiast tarcza jest umieszczona na wielowypuście na piaście koła gdzie może się poruszać na boki. Podczas obrotów może ona ocierać się o jedna z wykładzin hamulcowych. Gdy tak się dzieje, tarcza zostaje odbita od niej i przesuwa się w położenie gdzie nie dotyka żadnego klocka hamulcowego. Tarcia tego nie można jednak całkowicie wyeliminować. Zalety: nie ma potrzeby regulacji zestawu, który przy tym jest lekki i prosty w budowie. Wady: klocki zawsze będą lekko szorowały tarczę, a wielowypust szybko się zużywa.
W układzie z ruchomymi szczękami są one tak ustawione by nie dotykały tarczy, a podczas hamowania cały układ szczęk jest ruchomy tak by klocki z jednakową siłą ściskały tarczę. Zaleta: układ jest najmniej podatny na tarcie klocków o tarczę. Wada: duży ciężar i potrzeba wielu regulacji.
Układ ze szczękami zamontowanymi na sztywno jest zbudowany z założeniem, że tarcza cały czas zostaje w tej samej pozycji względem szczęk. U tym układzie ruchomy może być jeden lub dwa klocki zaciskane podczas hamowania przez system hydrauliczny. Układy takie są zazwyczaj zarówno najlżejsze jak i najdroższe.
Hamulce szczękowe
Są one najbardziej rozpowszechnione, a ich koszt o obsługa są adekwatne do ich
sprawności i wydajności. Ze względów ekonomicznych i praktycznych są one najbardziej
atrakcyjna alternatywa dla majsterkowicza budujacego pojazd HPV.
Podsumowanie
Jako projektant i racjonalizator hamulców tarczowych dla trójkołowców o układzie kół 2-1, wydaje mi się, że moja opinia w tym temacie jest wiążąca. Sądzę, że hamulce bębnowe są najbardziej optymalnym wyborem (choć nie zawsze najlepszym)w trójkołowcach. Hamulce takie są niezbyt drogie i łatwe w zaadoptowaniu do potrzeb trójkołowców. Natomiast hamulce tarczowe biją prawie we wszystkich kategoriach bębnowe, to jednak ich system hydrauliczny nie pozwala na zastosowanie jednej dźwigni z rozdzielaczem na dwa hamulce (tak jak w samochodzie). Jednak po wielu eksperymentach majacych swój początek w 1999 jestem bliski rozwiązaniu tego problemu.
Jako były właściciel firmy Practical Innovations uważam, że moja misją jest opracować produkt, który technologicznie wyprzedza swoje czasy. Spędziłem wiele miesięcy i wydałem tysiące dolarów by rozwijać systemy hamulców tarczowych. Dwie pierwsze ich generacje to były całkowite klapy. Ale za to następna okazała się sukcesem. Hamulce te przypieczętowały sukces handlowy Zephyra. Istnieje obecnie wiele systemów hamulców tarczowych lepszych od mojego projektu, ale jestem jedynym producentem, który z sukcesem przystosował opatentowany system hamulcowy wraz z układem linek do roweru poziomego.
Najwięcej nieporozumień podczas projektowania trójkołowca poziomego wywołuje zastosowanie odpowiedniego typu łożysk we wszystkich trzech kołach. Przez lata byliśmy zwodzeni przez specjalnie projektowane piasty Phila Wooda i innych producentów. Większość z nich korzystała z łożysk maszynowych. Kiedy słyszymu magiczne słowa "łożyska maszynowe" myślimy tu o jakości i niezawodności. To co nie zostało powiedziane to to, że takie łożyska zostały zaprojektowane do przenoszenia obciążeń radialnych, a nie do osiowych.
Obciążenia radialne to takie gdzie ciężar jest umieszczony pionowo, prostopadle do osi koła. Natomiast siedząc na trójkołowcu, łożyska są poddawane obciążeniom osiowym. Poniższy rysunek przedstawia przekrój przez łożysko przystosowane do obciążeń radialnych.
Obciążenia osiowe lub wzdłużne to siła jaka zostaje przyłożona wzdłuż lini osi. Powstaja one podczas pokonywania ostrych zakrętów. Poniżej przekrój przez łożysko stożkowe (rowerowe).
Wszystkie rowery poddawane są kombinacją obciążeń radialnych i osiowych, ale w trójkołowcach poziomych większy nacisk występuje w płaszczyźnie osiowej. Z tych też względów łożyska stożkowe są najbardziej efektywne.
Jeśli łożyska stożkowe są najlepsze przy przenoszeniu
obciążeń poosiowych (poprzecznych), dlaczego są one bardziej zawodne od
uszczelnianych łożysk maszynowych? Okazuje się, że różnica leży w
uszczelnieniu łożyska maszynowego. Jeśli podobne uszczelnienie zastosowano
by w łożyskach poprzeczno-wzdłużnych, byłyby lepsze od łożysk maszynowych.
(nie całkiem prawda. Jest tu jeszcze kwestia osiowości i nachylenia stożka,
osadzonego na gwintowanej osi. Wymagane technologicznie luzy powodują brak
precyzji, a więc szybsze zużycie. Można by to zrobić, ale koszt takiego
kompletu będzie przekraczał koszt łożysk maszynowych. A piasty rowerowe sam
uszczelniałem i pomagało tylko trochę - przyp. M. Utkin).
Inna zaletą łożysk maszynowych jest ich łatwa wymiana. Natomiast w łożyskach stożkowych miska jest najcząściej integralna częścią piasty i nie może zostać wymieniona.
Podsumowanie
Łożyska maszynowe wydaja się być najwygodniejsze co jednak nie oznacza, że zawsze najlepsze.
Wkrótce
Powrót