Геометрия рамы велосипеда

Рама – основная часть велосипеда. Она должна быть прочной, обеспечивая необходимую жесткость всей конструкции, и легкой. При этом еще и достаточно дешевой. Учитывая, что цена рамы составляет, в среднем, треть от цены готового байка. Производители стараются получить оптимальные характеристики велосипеда сочетанием материала, из которого изготавливают раму, и подбором ее геометрических характеристик – длин труб и углов между ними.

Некоторые ее характеристики и их влияние на поведение велосипеда в поездке мы попытаемся объяснить. Этот материал можно так же рассматривать как справочник по терминологии.

Геометрия рамы байка определяет несколько его характеристик:

Стабильность

Cпособность сохранять прямолинейное направление движения. Более длинный и низкий велосипед более стабильный.

Зависит от следующих характеристик:

• Длины верхней трубы. Чем она длиннее – тем байк более стабильный, но менее маневренный.
• Колесной базы. Чем больше – тем стабильнее.
• Высоты каретки. Увеличение высоты уменьшает стабильность, но повышает проходимость.

Маневренность (управляемость)

Скорость реакции на действия велосипедиста. Его способность быстро менять направление движения. Чем короче рама – тем более маневренный велосипед.

Зависит от большего числа параметров:

• Длина верхней трубы. Более короткая труба обеспечивает большую маневренность, но меньшую стабильность.
• Колесная база. Чем меньше база – тем больше маневренность, но меньше стабильность.
• Длина задних перьев. Чем они короче, тем байк становится более маневренным.
• Длина выноса. Аналогично предыдущей характеристики, более короткий вынос улучшает маневренность, а более длинный делает повороты труднее и непредсказуемыми.
• Рулевой угол. Чем он ближе к вертикали (больше), тем более маневренный велосипед.
• Уход вилки. Эта характеристика связана с предыдущим параметром. Соответственно чем меньше уход – тем лучше маневренность.
• Зазора вилки. Чем он меньше, тем лучше управляемость.

Сцепление колес с дорогой

Переднее и заднее колеса имеют разное сцепление с поверхностью дороги. Большую роль в этом играют велосипедные покрышки.

Распределение веса велосипедиста по колесам выглядит примерно так: 35% веса приходится на переднее колесо и 65% на заднее. 

Сила сцепления заднего колеса с поверхностью зависит от дизайна и геометрии конкретной рамы и, соответственно, от правильности распределения веса велосипедиста, т.е. от:

• Длины задних перьев. Чем более короткие задние перья, тем сильнее сцепление с поверхностью – велосипедист сильнее давит своим весом.
• Подседельного угла. Чем меньше угол, то есть подседельная труба отклонена больше назад, тем больше велосипедист давит своим весом на заднее колесо и сильнее сцепление с поверхностью.
• Колесной базой. Чем она меньше – тем сильнее сцепление.

Боле подробно о функциях переднего и заднего колеса в управлении велосипедом описано в статье "Можно ли ставить разные покрышки на разные колеса велосипеда и как их подбирать?"

Теперь немного более подробно рассмотрим каждую характеристику.

1. Размер рамы. Это один из главных факторов при выборе велосипеда. От него зависят все остальные размеры. Более подробно вопросы выбора размера рамы рассмотрены в статье о выборе велосипеда.
2. Длина верхней трубы. Влияет на стабильность и маневренность байка. Чем она длиннее, тем более стабильный байк, но менее маневренный. От нее зависит и посадка велосипедиста – более вертикальная или ближе к горизонтальной. Очень сильно влияет так же и на распределения веса по всей конструкции. Если у Вас длинные руки или торс, то нужно выбирать велосипед с длинной трубой. Но при этом учтите, что иногда можно просто поменять вынос руля (сделать его побольше или поменьше), сдвинуть назад седло или докупить изогнутый назад подседельный штырь для правильной настройки седла.
3. Колесная база - это расстояние по горизонту между осями колёс. Аналогично предыдущей характеристике влияет на стабильность и маневренность. Чем больше база, т.е. велосипед длиннее – тем лучше стабильность и, соответственно, меньше маневренность велосипеда. 
4. Длина задних перьев. Расстояние между осью задней втулки и кареткой по линии горизонта. Влияет на управляемость и сцепление с дорогой заднего колеса. Чем они меньше – тем более управляемый велосипед (он становится короче) и больше сила давления на заднее колесо. Соответственно повышается сцепление с поверхностью дороги. При коротких перьях байк легче поднимается в гору, маневреннее на поворотах, быстрее разгоняется, имеет меньшую пробуксовку.
5. Подседельный угол – это угол между подседельной трубой (подседельным штырем) и горизонтом. Оказывает влияние на посадку велосипедиста и сцепления заднего колеса с дорогой. Чем меньше угол (подседельная труба сильнее отклонена назад) – тем сильнее велосипедист давит своим весом на заднее колесо и лучше сцепление, но при этом уменьшается скоростная сила. Более крутой угол смещает вес тела вперед, увеличивая давление на руки и переднее колесо.
6. Высота каретки (зазор, дорожный просвет, клиренс). Расстояние между дорогой и центром каретки. Влияет на стабильность и проходимость. При низком зазоре выше стабильность, легче тормозить, но ниже проходимость, большой риск зацепиться педалью за кочку, землю или дорогу при повороте. Чем ниже каретка – тем ниже центр тяжести и, следовательно, велосипед легче поворачивать. Влияет она и на диаметр колес, которые можно будет установить. У горных велосипедов зазор больше, чем у дорожных и шоссейных.
7. Длина выноса. Измеряется как расстояние от центра рулевой колонки до руля. Влияет на посадку велосипедиста и управляемость. Опять же, чем больше вынос, тем более горизонтально будет сидеть велосипедист, что более удобно при длительных поездках. Более подробно о выносе руля описано в статье на нашем сайте: "Вынос руля велосипеда. Для чего нужен и как выбрать." 
8. Рулевой угол. Измеряется как угол между горизонтом и линией рулевой колонки. Чем больше угол, тем лучше управляемость и быстрее разгон, а вилка лучше обрабатывает мелкие неровности дороги. Связан со следующим параметром.
9. Уход вилки. Расстояние между точкой соприкосновения с дорогой линии, проведенной через рулевую колонку, и точкой касания переднего колеса с поверхностью дороги. Связан с предыдущей характеристикой. Чем меньше значение ухода вилки – тем лучше маневренность. Если есть передний амортизатор, то этот параметр меняется в зависимости от ситуации на дороге.
10. Зазор вилки. Расстояние по горизонтали между центром втулки переднего колеса и воображаемой линии, проведенной через рулевую колонку. Вообще это характеристика вилки, но вместе с рулевым углом и длиной выноса влияет на управляемость велосипеда. Чем он меньше – тем лучше управляемость. Более длинный зазор придает большую стабильность.

Геометрия труб при производстве велосипедных рам

Немного хочется остановиться на геометрии труб, используемых для производства рам. 

При производстве современных моделей используют трубы большого диаметра.

Почему больший диаметр труб предпочтительнее? Законы физики говорят, что при увеличении диаметра трубы в два раза ее жесткость повышается в восемь раз (кубическая зависимость), а при увеличении толщины стенки трубы в два раза ее жесткость увеличится так же в два раза. Т.е. для увеличения жесткости конструкции и при минимизации при этом веса - увеличение диаметра трубы предпочтительнее.  

У таких труб выше жесткость на изгиб, даже при снижении толщины стенок, что, в свою очередь, ведет к снижению общего веса изделия. Но делать стенки очень тонкими опасно, так как это может привести к смятию при серьезном ударе. Считается, что минимальная толщина стенки стальной трубы может быть 0,4 мм, а алюминиевой 0,8 мм. При математическом моделировании и проведении прочностных расчетов было выяснено, что нагрузки на раму неравномерные. Наиболее сильные напряжения на концах – в местах сварки, а минимальные в центре. Тогда производители пошли по пути использования баттированных труб (butted tubing). У них различная толщина стенок в разных участках. Например, при производстве велосипедных рам используют трубы с большей толщиной стенки на концах и меньшей в середине. 

Баттирование бывает одинарным, двойным (double butted) или тройным (triple butted).

При одинарном баттинге один конец трубы имеет имеет большую толщину стенок, чем другой. При двойном - оба конца трубы с более толстыми стенками, чем середина, а при тройном - труба имеет три различных толщины по всей длине.

Однако, производство баттированных труб более дорогое и в моделях среднего ценового диапазона их не используют. Вместо этого используются трубы с профилированным сечением – овальным, треугольным и т.д., причем часто одно сечение плавно перетекает в другое. У них лучше параметры жесткости, чем у круглых, даже при уменьшении толщины стенок.

Получают такие трубы методом гидроформинга – формовка труб путем помещения их в специальные матрицы и закачки им внутрь воды или специального масла под высоким давлением. При этом труба принимает форму матрицы, в которую ее поместили. 

Например, на приведенной фотографии видно, что у городского женского велосипеда Formula Breeze 2016 верхняя рама имеет треугольную форму, а нижняя - овальную, вытянутую в вертикальной плоскости. Такой профиль делает всю конструкцию более прочной, чем если бы она была выполнена из обычных круглых труб.

Идеальное сочетание это маневренный и стабильный велосипед при низком весе и небольшой цене.

Производители постоянно ищут компромиссы между различными характеристиками при разработке оптимальных моделей для каждого типа велосипедов, экспериментируя с различными углами соединения труб, применяемыми материалами и профилями.

Выбирайте велосипед с подходящей для Вас геометрией, обязательно пробуйте его перед покупкой в действии так, чтобы Вам было удобно и комфортно, и катайтесь с удовольствием!

Видео о геометрии рамы велосипеда