Доработка воздушной пружины на примере вилки Manitou Travis

На сайте сервиса MULTI опубликована статья от автора DarkWit подоработке воздушной пружины в вилках, на примере апгрейда вилки Manitou Travis.

  Хотелось бы сказать несколько вступительных слов, чтобы ограничить нападки, со стороны искателей и воителей во имя истины. Все заключения и рассуждения о настройке и работе вилок – это мое личное мнение и предпочтение. Я не утверждаю что это правильно, и что все должны делать именно так. Не пытаюсь никого убедить, и заставить пересмотреть свое мнение. Просто мне так нравится, мне так удобно, если кто-то не согласен, оставьте несогласие при себе. Я не хочу никому ничего доказывать, и надеюсь, никто не станет учить меня как правильно настраивать вилки.

ПСЕВДОНАУЧНАЯ ТЕОРИЯ

Часть первая. Размышление вокруг Гука…

Началось все пару лет назад, когда во время очередных местных соревнований я понял что вилка моя (Manitou Travis) работает не совсем так, как мне бы хотелось. И дело вовсе не в том, что это Manitou, как многие могут ехидно заметить, работа Boxxer’а мне нравилась еще меньше. Проблема была в характеристике сжатия вилки.

Для полного понимания надо разбить весь ход на три участка. Итак:

1. Первые 50-60мм это статический прогиб, или SAG, который практически не участвует в работе вилки;
2. Последние 30-40мм хода очень прогрессивны, и работают только при очень сильных ударах и дропах;
3. В итоге остается 100-120мм действительно эффективного, рабочего хода вилки, за счет которого обрабатывается большинство неровностей трассы. Да и этот небольшой остаток может быть слишком прогрессивен.

Итак, первое, что мне не нравилось, это большой, в 60мм, SAG. Несмотря на то, что для ДХ вилок нормой является SAG в 30-40% от полного хода, и 60мм от 200 в этот диапазон вполне укладывается, я считаю это мало практичным. Установка более жесткой пружины уменьшает SAG, но при этом работа вилки становиться очень жесткой и еще более прогрессивной, поэтому такой вариант отпал сам собой. Проставки на мягкую пружину, для создания преднагрузки тоже ничего хорошего не дают. Пружина деформируется в ноге, изгибается, создает дополнительное трение, а при большой преднагрузке пружины быстро проседают.

Второе, что не устраивало меня в работе вилки, это прогрессия. Бытует мнение, что пружинная вилка самая линейная. На самом деле это вовсе не так. Если рассматривать витую пружину отдельно, то ее рабочий диапазон действительно линеен, и подчиняется закону Гука, но вилка не состоит из одной пружины. Вилка, по сути, это замкнутый объем, который постоянно изменяется при работе. Внутри вилки имеется несжимаемое масло и сжимаемый нелинейно воздух. При сжатии свободный объем вилки уменьшается, давление воздуха растет, следовательно, сила упругости, вилки в целом, тоже увеличивается. Причем, если пружина сжимается линейно, то воздух сжимается по параболе. И при сравнительно небольших свободных объемах влияние воздуха на прогрессию очень существенно. В результате, для вилки в целом, как для упругого элемента, закон Гука не применим. Это можно наблюдать, например в RS Boxxer, у которого я так и не смог продавить последние 20мм, притом, что стояла желтая (средняя) пружина и SAG был опять же 60мм. За счет малого объема воздуха в правой ноге и в демпфере, прогрессия у RS Boxxer весьма внушительна.

По началу я пытался добиться, от Manitou Travis, нужной мне работы с помощью витых пружин. Теоретически это осуществимо, но практически это оказалось не так просто. Без возможности навивать нужные пружины сделать это практически не возможно. Выход оставался один, искать спасения в воздухе.

Часть вторая. Воздушные шарики.

Итак, было принято решение делать вилку с воздушной пружиной. Воздух имеет в себе много подводных камней, и каждый в отдельности способен все испортить.

Для начала хотелось бы опровергнуть одно из самых распространенных заблуждений, что воздушная вилка всегда прогрессивней пружиной. Это не так. В данном случае все зависит от реализации и технических решений. Нужно понимать, что воздушная пружина это не просто цилиндр с поршнем, а устройство, которое имеет определенную конструкцию, не всегда простую, и определенную характеристику сжатия.

Воздушная пружина работает за счет увеличения давления, при сжатии. Давление увеличивается за счет относительного изменения объема. В данном случае решающую роль играет именно отношение первоначального объема V1 к конечному V2. Чем это отношение меньше, тем на более линейном участке будет работать воздушная пружина. Для примера можно рассмотреть следующую ситауцию: имеется гипотетическая камера бесконечного объема, с давлением Р и поршнем, перемещающимся по камере. Очевидно, что для того чтобы поршень начал движение, на него должна действовать сила F, которая будет больше или силы Fp, порождаемой давлением газа на поршень, но так как объем камеры бесконечен, то изменения объема не произойдет, следовательно и сила возрастать так же будет. В таком случае характеристика сжатия будет горизонтальной прямой, находящейся выше оси Х на величину Fp. Очевидно, что в действительности в вилке бесконечно большого объема быть не может, он ограничен объемом ног, но этого объема в двухколонных вилках более чем достаточно для обеспечения требуемой линейности. Понятно, что чем объем больше, тем боле пологой будет характеристика сжатия, для наглядности представлены схематичные графики сжатия для разных объемов, где V3>V2>V1.

Из графиков хорошо видно, что при одинаковом начальном давлении, и практически одинаковом статическом прогибе прогрессия при малом объеме существенно выше, чем при большом. Таким образом, правильно подобрав объем воздушной камеры можно добиться от вилки требуемой погрессии, и заставить ее работать на большой ход с небольшим усилием, что позволит ей обрабатывать крупные неровности трассы.

Следующая особенность воздушной пружины – это необходимость двух камер. Одна камера, основная, расположена над поршнем и работает на сжатие, ее принято называть позитивной. Вторая камера находится под поршнем, со стороны штока и нижней крышки ноги, она работает на отбой и называется негативной. В данном случае имеем частичную аналогию с пружинными вилками, так же имеется позитивная и негативная пружины. Негативная пружина имеет одно единственное назначение – гасить удар при отскоке вилки. Без негативной пружины, упор, который сжимает позитивную пружину, при отскоке, ударяется о нижнюю крышку ноги. Это можно часто наблюдать на дешевых эластомерных вилках, которые, при выдергивании, издают громкий стук.

В воздушных вилках не все так просто. Очевидно, что если позитивная камера накачена до некоторого давления (обычно 4-8атм для вилок с одной воздушной пружиной), то на поршень даже в нулевом положении будет действовать сила, или так называемая преднагрузка. Чтобы просто сдвинуть вилку с нулевой точки, необходимо приложить силу, большую, чем преднагрузка, а учитывая давление в вилке, сила эта весьма существенна. Для примера, если диаметр поршня 30мм, а давление в позитивной камере 6атм, то на поршень будет действовать сила почти в 420Н, или 41кгс. Понятно, что с этим эффектом необходимо бороться и именно для этой цели существует негативная камера.

Так как поршень свободно движется внутри ноги вилки, то он всегда будет стремиться к положению равновесия. В равновесии он будет находиться в том случае, когда силы, действующие снизу и сверху, будут одинаковы. Негативная камера делается таким образом, что силы выравниваются именно в нулевом положении вилки. Так как поршень находится в равновесии, то будет реагировать на малейшее изменение силы со стороны штока и эффекта преднагрузки не будет. Для лучшего понимания работы негативной и позитивной камер можно обратиться к графикам. На первом представлены отдельно характеристики сжатия негативной и позитивной камер, на втором суммарный график сжатия воздушной пружины в целом.

Теоретически, вместо негативной камеры можно использовать негативную витую пружину. Но тут возникает ряд проблем: во-первых, изготовление пружины, которая имела бы строго определенную жесткость, сжимаясь на нужную величину и не пробивалась; во-вторых, пружина работала бы правельно только на определенное давление, соответственно только под определенный вес райдера.

Не сложно догадаться, что негативная камера так же имеет рабочую характеристику, как и позитивная. Если для позитивной камеры основной является прогрессия, то для негативной актуальна обратная величина – регрессия. Негативная камера имеет очень малый объем, поэтому при сжатии вилки падение давления в негативной камере будет происходить по очень крутой характеристике. Изменяя объем негативной камеры можно изменять и регрессию, что в сумме изменит общую характеристику сжатия вилки. Чем больше регрессия негативной камеры, тем быстрее будет уменьшаться негативная сила, и тем быстрее будет увеличиваться жесткость в начале хода. Таким образом SAG можно регулировать за счет объема негативной камеры, не изменяя при этом давление в позитивной. Таким образом, можно за счет меньшего статического прогиба получить больший полезный ход при той же жесткости и прогрессии вилки.

Вооружившись вышеприведенными нехитрыми теоретическими заключениями, я решил воплотить теорию в металл.

МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ НАЧИНКА

Часть первая. Поиски истины.

Первый вариант воздушной пружины, который я спроектировал, изготовил и установил, был сделан по типу Dual Air. То есть позитивная и негативная камера накачивались отдельно.

Преимущество такой конструкции в том, что ее очень легко настраивать в очень широком диапазоне. Кроме того, она достаточно проста в изготовлении. В качестве бонуса такая конструкция дает возможность изменять ход вилки. Накачивая негативную камеру, поршень сдвигается вверх, ход вилки уменьшается. Необходимости лично для меня в этом не было, но сам факт возможности необходимо отметить.

Работа вилки меня полностью устраивала, более того, я был в восторге. При статическом прогибе в 30-40мм, вилка могла сработать на 100-120мм, практически без отдачи в руки. А правильно подобрав объем позитивной камеры можно было не бояться пробить вилку .

К сожалению, от этого варианта конструкции пришлось отказаться, ввиду одного существенного недостатка. Такая конструкция требует очень высокой чистоты внутренней поверхности ноги, вдоль которой движется поршень. Так как Travis изначально был изготовлен под пружину, то внутренняя анодировка не соответствовала требованию чистоты. На поверхности имелись длинные продольные риски, которые у меня не получилось заполировать. В результате чего, из позитивной камеры в негативную, при работе просачивались воздух и масло. Во время езды вилка сгоняла ход. Получался так называемый Stack Down. За день езды в Банном, вилка теряла до 30мм хода, и приходилось стравливать негативную камеру, а позитивную подкачивать.

Возникали идеи изготовить, что-то типа кнопки, которая позволяла бы простым нажатием открывать отверстие между негативной и позитивной камерой, и выставлять вилку в нужное положение. В принципе, такое вполне осуществимо, и даже имеет право на реализацию, но в результате долгих раздумий было решено сделать устройство, которое автоматически выравнивало бы давление при работе вилки и возвращало ее в исходное положение.

Система должны была накачиваться только через один ниппель, в позитивной камере и компенсировать все протечки через поршень. У Rock Shox существует нечто похожее, под названием Solo Air, так же накачивается через один ниппель, однако, я ни разу не слышал о том, чтобы «стак-даун» компенсировался. В конечном итоге я спроектировал то, что намечал, отдал чертежи на изготовление, и спустя некоторое время получил вожделенные детальки.

Часть вторая. Железное решение.

Основным элементом воздушной пружины является поршень. В разработанном мной поршне имеется специальный клапан, который открывается и выравнивает давление между камерами. Открывается клапан в двух случаях:

1. В нулевом положении вилки, когда нижняя пружина поршня упирается в крышку ноги. Это происходит, например, при выдергивании вилки за счет силы инерции колеса и штанов вилки.
2. Всегда когда на шток воздушной пружины действует выталкивающая сила. Особенность конструкции в том, что если на вилку не оказывается внешнее воздействие, то сила эта действует постоянно. Дело в том, что поршень имеет разную эффективную площадь сверху и снизу. Сверху используется вся площадь поршня, определяемая его диаметром, в то время как снизу поршня имеется шток, который через уплотнения выходит из ноги, и его площадь вычитается из площади поршня. Так как давление сверху и снизу поршня одинаково, а площадь снизу меньше, то сверху на поршень будет действовать сила, которая открывает клапан и поршень возвращается в нулевое положение. Удерживается клапан верхней пружиной, которая поджата гайкой. Сила упругости пружины противодействует силе открывающей клапан. То, насколько зажата пружина будет определять, при каком усилии клапан откроется, и позволяет оптимально настроить работу клапана. Таким образом, даже если по каким-либо причинам воздух просочился в негативную камеру, и поршень завис, где-то в середине хода, то достаточно разгрузить вилку, чтобы она вернулась в исходное положение. Так как в процессе езды по трассе вилка разгружается достаточно часто, то клапан постоянно работает, устраняя возможные утечки воздуха.

Для верхней части ноги была изготовлена специальная крышка, с ниппелем, для накачки воздуха. Кроме того, на этой же крышке закреплен неподвижный шток с поршнем. Поршень по штоку можно перемещать, и фиксировать упором, в виде хомутика, и таким образом регулировать объем позитивной камеры, и соответственно, прогрессию вилки.

Объем негативной камеры можно настраивать, доливая масло. Чем объем меньше, тем более жесткую и прогрессивную характеристику имеет начало хода, тем меньше статический прогиб при том же давлении. Это же масло используется для смазки поршня.

Конструкция оказалась вполне работоспособной, более того, работала именно так, как и задумывалось.

Вилка с воздушной начинкой проработала всю весну и лето, пережила Белую, Миасс, 14 дней в Банном и покатушки местного масштаба. Никаких существенных нареканий не возникло, все оказалось вполне надежным. Конечно, выявились некоторые недоработки и недостатки, которые были устранены во втором варианте воздушной пружины. Пришлось отказаться от использования резиновых манжет для гидравлических устройств, так как они создавали слишком большое трение, и ограничится лишь обычными резиновыми кольцами. Кроме того, пришлось во втором варианте немного изменить конструкцию клапана, так как в первом, вся нагрузка приходилась на маленькое резиновое колечко, из-за чего оно быстро изнашивалось, и приходилось его менять примерно раз в 2 месяца. Порадовало то, что даже без этого кольца вилка сохраняла работоспособность, за счет плотного прилегания металлических частей поршня.

На данный момент имеется две вилки с такими воздушными пружинами, и обе работают замечательно. Третий комплект готовиться в DNM Volcano USD 180. Одной из особенностей работы является несколько жесткое начало хода, что способствует уменьшению статического прогиба. Из за этого, на первый взгляд, при осмотре на месте, может показаться, что вилка слишком жесткая. В действительности когда садишься на вел, никакой жесткости не ощущается, идеальная, плавная работа. Вилка просто плывет по трассе, временами кажется что едешь по ровному покрытию. Конечно, в плане отработки мелочи вилка уступает Marzocchi 888 (а кто им в этом не уступает) но зато со всем что больше 15мм справляется несравнимо лучше.

К сожалению, на данный момент не все части изготовлены из тех материалов из которых надо, потому что имеется некоторый дефицит в заготовках из д16т. В дальнейшем рассчитываю исправить ситуацию.

Если возникли, какие-то вопросы и непонятные моменты – задавайте. Кроме того, если кого-то заинтересовала такая воздушная пружина я вполне могу изготовить такую же всем желающим. Цена, конечно, не будет низкой, потому что продукт пока что штучный, но думаю договориться возможно. Пока что только для Manitou Travis в любой его модификации, но теоретически возможно спроектировать и изготовить для любой вилки, было бы желание и деньги. Буду рад выслушать любые предложения и пожелания.

Стоимость данного апгрейда вилки (на данный момент) составляет около 4 000 - 4 500 рублей.