Снова про рейк, трейл и вынос

[Бабай]

Есть хорошая статья и на неё часто ссылаются ссылка
Однако, ссылки тонут в информации, да и статья для чопперов, и колёса у нас поменьше, и углом наклона рулевой колонки на самокате особо не побалуешься - руль в пузо упрётся.
Решил свою картинку нарисовать.

Итак, при старте, крутящий момент мотор-колеса М (или другого привода) создаёт силу тяги на оси заднего колеса Fт (правильней бы её назвать - толкательной).

Эта сила толкает маятник (или прямо в раму). По прохождении волны деформаций сила доходит до рулевой колонки, которая, через подшипники, передаётся на рулевую трубу (изображена красной осью) и то, что под ней висит (траверсы и перья для телескопа или кронштейн для поворотного маятника).

Когда деформируется вся цепочка и доходит до оси переднего колеса, оно начинает сопротивляться своей массой, моментом инерции и всякими трениями. Вектора могут торчать куда угодно, но результирующая Fсопр направлена назад и перпендикулярна оси рулевой колонки.

В этот момент трейл ещё не включился в "работу" и, если колесо направлено строго вперёд, дестабилизация зависит от того - какой имеется вынос оси колеса относительно оси рулевой колонки.

У мотоцикла траверсы имеют вынос перьев телескопов вперёд, чтобы они имели больший угол поворота до удара в бензобак или раму, хотя для этого имеются ограничители.
Кроме того "штаны" перьев могут иметь свой вынос. В сумме может получится немалый вынос вперёд, как первый вариант на картинке, и сила Fсопр будет стремиться повернуть руль на 180 градусов.

Кроме того, во время движения, неровности дорожного покрытия, если они будут торчать не в центральной плоскости колеса, создадут дополнительные боковые усилия на шину и при большом положительном выносе и малом наклоне рулевой и малом трейле может получится раскачка, а при кривой резине - воблинг.

Если перевернуть штаны выносом назад, как второй вариант на картинке, выносы будут вычитательные и общий вынос может быть маленьким или, даже, ось колеса может оказаться сзади оси рулевой колонки. Это наиболее стабильный вариант и боковые нагрузки и удары легче сдержать рулём.
Кроме того, уменьшение выноса вперёд и, тем более, вынос назад увеличивает трейл, который уже в движении ещё больше стабилизирует переднее колесо вдоль траектории, так как Fсопр и трейл направлены в одну сторону. Fсопр висит на кончике трейла и они вместе стремятся быть единой прямой линией..

В отличии от мотоцикла, колёса у самоката колёса маленькие и лёгкие. Поэтому мал гироскопический момент, который стабилизирует переднее колесо, и приходится колдовать с выносом и трейлом.

Коллеге  alex_2d пришлось рычаги поворотного маятника укорачивать из-за воблинга.
Зато у него получился большой трейл с выносом оси назад.
ссылка

[Инженер механик]

По моему опыту на переднем приводе увеличение трейла тоже сказалось положительно( сейчас у меня трейл около 32 мм на 10" колёсах).
Устойчивей стало при прямолинейном движении, и особенно при экстренных торможениях передним колесом.
Теоретически при разгоне может возникнуть какая то неустойчивость, но я такого не заметил.

[Бабай]

По моему опыту на переднем приводе увеличение трейла тоже сказалось положительно.
Устойчивей стало при прямолинейном движении, и особенно при экстренных торможениях передним колесом.
Теоретически при разгоне может возникнуть какая то неустойчивость, но я такого не заметил.

Передний привод на переходных процессах при простом сбросе газа может бяки выкидывать, когда вектор торможения мал и вынос есть вперёд или назад.
А у Вас околонулевой вынос и большие вектора ... на разгоне тяга работает, а при торможении трейл.

[_Os]

 Инженер механик, я бы вам осторожно предложил один из ваших самокатов сделать с задним приводом. Просто попробовать. Оценить как рулится лёгкое переднее колесо, как оно отрабатывает препятствия.
Гиря в заднем колесе уменьшает вероятность перелёта через руль. Электротормоз сзади даёт возможность тормозить без юза..
 Кстати переносить за рулевую стойку стало не намного хуже )))

[horrorlv]

Закрепил первый пост. Тема довольно важная. Если нужна помощь в заполнении, дайте знать.

[_claw]

из личного опыта знаю. большой трейл уверенная, стабильная езда на скорости и "затрудненный" поворот на малых радиусах. предпочтителен для "чопперов-круизеров". малый же трейл используется на спортивных байках, где важна маневренность. есть еще обратный трейл, но это когда рулевое колесо сзади, а также есть такие схемы в лигерадах. но учится ездить на таком, то еще удафольствие 

[Басарга]

Я вот думаю трехколесник собрать.
Трейл у него длинный будет, как у чоппера, моторколесо 8", переднее
Сзади два колеса как у скейтборда, если резкий поворот, ногами доверну, как скейт


К тому же в троице трейл, рейк и вынос не хватает Сына их, сэга!

[Бабай]

... не хватает Сына их, сэга!

Не надо богохульствовать ! 
СЭГ не связан с ними ... Он сын многих других. Например, силы пружины, её хода и рычажности (если имеется в виду маятниковая система)

[_claw]

не хватает Сына

на правильной подвеске сэг вообще никак не влияет на трейл.

[Инженер механик]

Вот правильный рейк и трейл !
Думаю, что если поставить задачу реально пользоваться самокатом в повседневной жизни, то другой геометрии не придумать.

[Бабай]

Прочитал недавно смущающее понимание коллеги  _Os в другой теме , который увеличил трейл, поставив ось переднего колеса сзади оси рулевой,

Но меня всегда смущало понимание что под весом вилка пытается провернуться из явно неустойчивого положения.

и хочу высказать своё видение.

Надо разделять неподвижное состояние, когда прислонютый к стенке самокат вывернет руль и чебурахнется, и движение со скоростью под весом пилота, когда устойчивое удержание переднего колеса на траектории обеспечивается появившимися в движении новыми силами.

Действительно, если рассматривать неподвижное вертикальное положение центральной продольной плоскости и абсолютно твёрдые колёса нулевой толщины на абсолютно твёрдом основании - при контакте колёс с основанием в единственной точке (без трения), когда вынос оси колеса сзади оси рулевой (вынос = 25 мм), вилка будет пытаться повернуться в устойчивое положение, если повернуть руль и реакция опоры покинет центральную продольную плоскость.

Руль не повернётся только когда линия реакции от центра пятна переднего колеса пересекает центр оси колеса и рулевую ось одновременно. Это и есть смущающее понимание неустойчивого равновесия.

Но, в действительности, центральная плоскость переднего колеса, обычно, имеет какой-то поворот, шина - не абсолютно твёрдое тело и имеет ширину, и асфальт шершавый ...

Если поставить на деку гирю, шины промнутся под весом и образуют пятна контакта, из центров которых будут торчать реакции опор по 60 кг (с учетом веса самоката, например - 20 кг).
Повернём руль на 30°, отрежем кусок вилки, чтобы не загораживался вид и сделаем шины прозрачными, чтобы видеть пятна контакта.

Хотя руль повёрнут на 30°, из-за рэйка 15° центральная плоскость переднего колеса и пятно контакта повернулось только на 25,52°, но это не важно.

Для заднего колеса ничего не изменится. Реакция торчит из центра пятна в центр оси, а навстречу ей давит половина веса.

В переднем колесе, учитывая, что самокат неподвижен и продолжает стоять вертикально,

из-за рэйка 15 градусов центральная плоскость переднего колеса наклонилось от вертикали. Пятно контакта переползёт по образующей сечения колеса внутрь поворота, из центра его будет продолжать вертикально вверх торчать сила реакции. Центр оси, на который вертикально вниз действует сила веса, из-за наклона центральной плоскости колеса, отодвинется от силы реакции ещё дальше внутрь поворота.

Если самокат не удерживать вертикально, он начнёт заваливаться в сторону поворота из-за смещения центра оси колеса. Если удерживать, то сила реакции образует крутящий момент вокруг оси рулевой колонки и если этот крутящий момент будет больше силы трения пятна, которое вцепилось в асфальт, руль начнёт поворачиваться.
Но это на неподвижном самокате ...

В движении, устойчивость обеспечивается не реакцией опоры, а результирующими сил реакции опор и боковых сил на каждое колесо.  Результирующие редко бывают перпендикулярны основанию, по которому едет самокат, даже при движении прямо. Всегда есть небольшие виляния вдоль траектории, во время которых имеются наклоны от вертикали и на систему действует центробежная сила. Балансировка водителя телом, заставляет эти результирующие обоих колёс балансировать вблизи плоскости через центр тяжести и пятна контактов.

Кроме этого, в работу включается сила трения качения, которая зависит от скорости, и на переднем колесе имеет важное значение. Из-за гистерезиса деформации резины точка реакция опоры смещается вперёд, по направлению движения, от центра пятна а сам вектор реакции наклоняется назад. Это незначительно уменьшает трейл, но сила, висящая на "кончике" трейла передаётся на центр оси и тащит колесо назад, противодействуя крутящему моменту на оси рулевой, который "пытался" вывернуть руль стоячего самоката.

И ещё ...

И самое смешное, что если сильней наклонять вилку (увеличивать рэйк), "увеличивая" устойчивость, устойчивость будет только ухудшаться! Вилка всё с большей охотой будет пытаться провернуться в устойчивое положение.

Да ... на стоячем самокате.
Крутящий момент от выноса оси назад (если он не полметра), при том, что на большой скорости, руль в поворотах отклоняется всего на несколько градусов, а тангенс кастора и, в основном, тангенс мизерных отклонений результирующей реакции опоры и боковых сил от плоскости центра тяжести от колебаний руля и неровностей дороги - превращается в ничто, в сравнении с  моментом, когда руль стоячего самоката был повёрнут на 30°  ...

Кстати Алекс2Д на своём мегасамокате сделал такой трейл, что по его словам любая нестабильность на руле решалась просто добывлением газа.

Да, ИМХО, он сделал великоватый вынос назад, но не жаловался, вроде бы 

Конечно, бывает надо и ползать между пешеходов   
Ухудшаться устойчивость будет в неподвижном состоянии и на маленьких скоростях и, при ползании устойчивость приходится ловить уже не только поворотами руля, а смещением тела, как в сюрплясе на треке.

[_Os]

Ну всё хорошо, только вот я счас получил приятную для себя управляемость на самокате на скорости в 50 (очень приятную) и на 70 (приемлимую) просто уменьшив рейк (ну и как следствие трэйл). Рейк по сути вернулся к штатному рейку этого самоката (как на аватарке, синий самокат). Самокат перестал клевать лихорадочно от поворота руля и раскачиваться. На малой скорости я теперь могу практически стоять (ехать со скоростью бабушки в подземнои переходе). На большой руль конечно острый, избыточно острый, но нет валкости и раскачки. Плюс добавилось вернулось место на деке и я могу теперь встать нормально. Ушедший вперед руль позволяет в прыжке сначала поднять переднее колесо, а потом уже заднее.
Всё никак не сниму видос. Аккум на гопрохе совсем сдох (((

Да ... на стоячем самокате.

Ну мой случай был на 50. Дальше я просто побоялся ехать - неустойчивость была крайне неприятная.

[_Os]

вот еще интересная особенность большого трейла. Я тут накорябал рисунок )).
При большом трейле, поворот колеса вызывает смещение центра тяжести (ЦТ) за ось самоката. В движении это вызывает проваливание самоката в сторону поворота и может как помогать так и мешать. В моём случае однозначно мешает так как вызывает еще и раскачивание.

[Бабай]

вот еще интересная особенность большого трейла. Я тут накорябал рисунок )).
При большом трейле, поворот колеса вызывает смещение центра тяжести (ЦТ) за ось самоката. В движении это вызывает проваливание самоката в сторону поворота и может как помогать так и мешать. В моём случае однозначно мешает так как вызывает еще и раскачивание.

Не понимаю такую последовательность событий ... если повернуть руль на скорости при входе в поворот, то самокат опрокинется наружу поворота. Вольно или невольно на входе в поворот используется контрруление.

Вольно (специально) - когда этому обучаются для гонок, сначала переместив тело внутрь поворота и зачительным поворотом руля в противоположную сторону.
Невольно (бессознательно) - незначительное движение руля в противоположную сторону без перемещения тела, оставшееся в рефлексах спинного мозга у каждого, кто ездил на велосипеде.

От этого контрруления и получается смещение ЦТ внутрь поворота в противовес центробежной силе независимо от величины трейла. От этого руль поворачивается на небольшой угол в сторону поворота сам.
Большой трейл и прицепленная к нему сила трения качения просто препятствует повороту по меньшему радиусу. Больше, чем препятствует маленький трейл. Поэтому у гоночных мотоциклов рэйк и трейл меньше, чем у круизеров и чопперов.

Проваливание в сторону поворота это, как я понимаю, неожиданное по величине заныривание.
Изменения поворота руля и колеса вызывают боковую деформацию шины, которая зависит от давления и меняет направление силы трения качения, которое не соответствует повороту колеса (смотри углы увода).
Поскольку имеется сила, которая так деформирует шину, она же, в ту же сторону изгибает перья. Геометрия подвески в повороте изменяется на меньший радиус поворота, из-за которого происходит заныривание. Потом начинаются упругие колебания, которые, пока не затухнут, могут вызывать раскачивание.

Поэтому раскачивание может происходить от не жёстких, пластинчатых перьев, которые при повороте колеса выгибаются внутрь поворота, а потом упруго колеблются. Восемь шарниров РИНОвской подвески, рассчитаной не на 70 км/час, тоже могут способствовать раскачке 

[_Os]

Пришло время показать что я тож не ленивый  . Нисколько не преуменьшая всего что написал уважаемый Бабай... Я тут набросал анимацию  . Не обессудьте самокат отобрал у Буратино. Он деревянный, колёса жесткие, узкие. Пятно контакта минимально. Но у него был самокат с утрированно большим положительным трейлом и нереальным выносом, как раз на таком утрированно хорошо видно что происходит.

При повороте с таким выносом\трейлом дека и ЦТ самоката выносится за ось опоры между передним и задним колёсами. И чем больше вынос\трейл, тем сильнее вынос ЦТ. Самокат клюёт в сторону поворота. И это вроде хорошо, позволяет удержать равновесие. Но в зависимости от выноса и трейла он может нырять уж слишком рьяно, проваливаясь и уходя из-под ног. Кроме того. На анимации видно, что дека наклоняется при этом наружу поворота и получается что самокат ныряет в поворот а ездока отправляет наружу (видимо просит сойти))).
Да стоит заметить, что если всё перевернуть и сделать трейл отрицательным, то всё становится совсем опасно и самокат при повороте ныряет наружу, что вообще фатально.
Да, кстати рисуночек еще нарисовал

Самокаты сверху и снизу несмотря на разную подвеску в повороте будут вести себя амбивалентно индифирентно эквивалентно (ну ладно, почти эквивалентно))) Так что Буратино не такой уж и дурак 

[Бабай]

Я тут набросал анимацию.

Чего же опять руль вертится на неподвижном самокате, причём рама не зафиксирована горизонтально? ...
При таком выносе, конечно, трудно балансировать. Да и угол поворота - каких на скорости не бывает ... поэтому

На анимации видно, что дека наклоняется при этом наружу поворота и получается что самокат ныряет в поворот а ездока отправляет наружу (видимо просит сойти))).

Мне тоже пришлось порисовать ... С некоторыми векторами ... Все вектора замучаешся рисовать 
Увеличил вынос оси назад до 50 мм. Трейл получился 84,45.

Вырезал стоп кадр из видео.

Радиус поворота немного больше 2-х метров. База и рейк такие же, как на фотке с гирей ранее 
Максимальный угол поворота руля около 14,5 градусов.

Да - плоскость результирующей ЦТ и ЦС несимметрично рассекает деку (несколько миллиметров внутрь поворота), но это так незначительно, что непохоже на сбрасывание седока 

Видео меньше 2-х минут

Конечно, если с величиной выноса сильно баловаться, может получится, что новую вилку придётся делать    

[_Os]

Чего же опять руль вертится на неподвижном самокате, причём рама не зафиксирована горизонтально? ...

Была задача показать смещение ЦТ относительно опоры. У меня 2 самоката. На большом я могу экспериментировать с трэйлом, на мелком могу только перевернуть вилку. Итог моих экспериментов. Большой положительный трейл - зло, самокат начинает неприятно проваливаться. Возможно если ездить сидя всё воспринимается по-другому. Отрицательный трейл (перевернуть вилку мелкого самоката) вообще фатален в управлении. Мой опыт. Трейл немного в плюс самое оно (при езде стоя).
Ну и да, не оч понял зачем раму фиксировать горизонтально? В этом и проблема, что большой трейл и начинаются качели..
Да, вот что еще наверное важно. Если дека 30+ кг то всё меняется.

[Бабай]

Ну и да, не оч понял зачем раму фиксировать горизонтально?

Вовремя не обратил внимание на вопрос ...
Потому что так легче визуально представить изменении геометрии в движении, когда есть ограничения поворота руля от скорости и дека отклоняется незначительно.

Была задача показать смещение ЦТ относительно опоры.

Опорой для ЦТ является не дека, а линия базы самоката - между точками динамических трейлов переднего и заднего колеса, которые в движении не находятся в центре пятна контакта, как на неподвижном самокате. Но этим можно пренебречь.

На Вашем видео центральная плоскость переднего колеса привязана к вертикали и не меняет наклон. А дека качается в зависимости от поворота руля. Это соответствует ситуации, когда кто-то крутит вправо-влево руль стоящего самоката ...
При движении самоката наоборот - наклон центральной плоскости переднего колеса и поворот руля зависит от наклона деки. Вернее - наклона вправо-влево общей вертикальной центральной плоскости рамы и заднего колеса, если трейл положительный и больше нуля.
И управляет поворотом руля, в основном - трейл, в паре с силой трения качения.
Идеальной геометрии, наверно, не бывает, поэтому и водитель немножко помогает доворотами руля и переносами своего ЦТ относительно ЦТ самоката, корректируя треугольник: база, передний трейл, задний трейл.

Управляем мы не смещением общего ЦТ системы относительно линии базы, а подстановкой этой линии, при помощи треугольника в положение пересечения с результирующей R от силы тяжести, выходящей из ЦТ вертикально вниз и центробежной силы, выходящей из ЦТ горизонтально из центра поворота. Если нет поворота, то вектор R совпадает с вектором силы тяжести и равен ей.

Если трейл нулевой или отрицательный - только сила рук может держать его на траектории, чтобы руль не повернулся в "удобное" для него положение, а R не убежала с линии. Причём, если трейл нулевой - треугольник не существует (переднего трейла нет, база = задний трейл) и только поворот руля в нужном направлении и изменение скорости могут, при потере равновесия, снова подставить линию базы под линию R.

Если трейл правильный (положительный), но величина его связана с большим смещением оси колеса назад от рулевой оси, как у  alex_2d, возникают другие проблемы (я предупреждал его), которые он преодолевал, тоже, удержанием руля и ускорением, что не во всякой ситуации приемлемо.

В этом и проблема, что большой трейл и начинаются качели.

Да - тут проблема маленьких колёс, ограниченной базы самоката и наклоном руля в пузо.
Но для тех, кому не важен вес самоката, есть возможность иметь большой трейл, чтобы обеспечить коэффициент устойчивости самоката на выбор - как у юркого спортбайка или как у важного круизера ссылка ...
Чтобы не было качелей надо сделать очень маленький вынос оси колеса вперёд рулевой.
Чтобы был большой трейл, надо сделать большой угол наклона.

Чтобы руль не торчал в пузо, надо сделать отдельно переднюю вилку и отдельно рулевое управление