нашел вот в сети... мож кому кроме меня пригодится..
Tune to Win (перевод Юрия Ветрова отдельных глав книги Льюиса Кэрола)
Динамика автомобиля – что это такое?
Перед тем, как делать что-либо с любой деталью автомобиля, нужно понять её главную функцию – «если ничего не помогает – читай инструкцию». В случае с гоночной машиной её основная задача обманчиво проста. Гоночный автомобиль существует лишь для того, чтобы позволить человеку преодолеть заданную трассу за наименьшее время, чем это может позволить любая другая комбинация человек-машина на данный момент. Какой бы ни была трасса – 440 ярдов дорожки для драг-рэйсинга, 200 кругов Индианаполиса, 14 кругов Нюрбургринга или 1000 миль Баджи, рельеф местности не важен. Гоночная машина – это не техническое задание. Это не объект искусства. Гоночный автомобиль – это просто инструмент для гонщика. Предметом данной книги является изучение того, как обеспечить гонщика наиболее эффективным инструментом, возможным при данных ограничениях – человеческих, финансовых, временных.
Эта книга будет о базовой (основной) динамике автомобиля – термина, которого большинство людей пугается. Термин «динамика» ассоциируется с непонятными графиками и громоздкими формулами. Но это не всегда так. Динамика автомобиля – это просто наука о силах, воздействующих на автомобиль в движении и ответной реакции автомобиля, естественной или вызванной водителем, на данные силы. Так как мы рассматриваем только гоночный автомобиль, мы можем и будем игнорировать многие факторы, которые учитывают конструкторы обычных машин.
В нашем случае динамика автомобиля может быть разделена на несколько взаимосвязанных областей.
Прямолинейное ускорение
Способность разгоняться быстрее, чем другая машина, является одной из наиболее важных составляющих в характеристике гоночной машины. Это важнее, чем предельная скорость в повороте и намного-намного важнее, чем максимальная скорость. Основными факторами, влияющими на разгон, являются:
- мощность (нетто) на ведущих колёсах;
- сцепные свойства ведущих колёс;
- вес автомобиля; - аэродинамическое сопротивление; - сопротивление качению;
- инерция вращающихся масс.
Прямолинейное замедление
Торможение – это разгон наоборот. И зависит оно от тех же факторов, если мощность двигателя заменить на мощность тормозной системы. В этом случае развиваемая тормозной системой мощность передаётся на полотно трека через все четыре колеса, а не только через два ведущих. Тормозные свойства автомобиля менее важны, чем характеристика разгона, потому что большую часть времени в гонке автомобиль разгоняется, а не тормозит. Мы тормозим быстрее, чем разгоняемся.
Разгон в повороте
Кроме драгстеров и машин чемпионата Бонневиль все гоночные машины должны проходить повороты. Совершенно понятно, что чем быстрее машина проходит повороты, тем меньше время на круге. Этому есть две причины. Во-первых, чем меньше времени автомобиль тратит на прохождение какого-либо участка трассы, будь то прямая или поворот, тем меньше времени он тратит на прохождение всей дистанции. Вторая причина также понятна, но не столь очевидна. Но она более важна. Машина, которая выходит из поворота, скажем, на 130 км/ч, преодолеет следующую за ним прямую быстрее машины, которая выходит из этого поворота на 110 км/ч. Это просто происходит потому, что ей не нужно тратить время на разгон со 110 до 130 км/ч – она уже идёт с этой скоростью, и, таким образом, имеет преимущество.
Основные факторы, влияющие на разгон в повороте:
- сцепные свойства шин, которые зависят от:
а) геометрии подвески;
б) того, как перераспределяется вес машины;
в) прижимной силы;
г) размера и характеристик шин
- вес автомобиля;
- высота центра масс машины.
Максимальная скорость
В большинстве гоночных дисциплин максимальная скорость не столь важна, как кажется. Так как повороты нельзя пройти на максимальной скорости, поэтому скорость прохождения поворотов и характеристика разгона гораздо более важны. Как часто проигрывающая машина драг-рейсинга идёт с максимальной скоростью? Наименьшее время круга – вот название игры, в которую мы играем, не забывайте об этом. Если есть возможность получить значительный крутящий момент в рабочем диапазоне двигателя за счёт некоторого снижения мощности, делайте это. Когда вы обнаружите, что ваше время на круге улучшается за счёт увеличения антикрыльев, а максимальная скорость уменьшилась – не беспокойтесь.
Факторы, влияющие на максимальную скорость:
- мощность на ведущих колёсах;
- аэродинамическое сопротивление;
- сопротивление качения.
Управляемость и ответные реакции
Если бы мы сконструировали и построили машину чемпионата Can Am, которая разгонялась бы как AA Fueler, имела максимальную скорость чемпионата Бонневиль, тормозила и поворачивала как Ф1, то она была бы недостаточно конкурентоспособной, если бы ей недоставало адекватной управляемости и характеристик ответных реакций. Гоночная машина должна быть управляемой – иногда трудноуправляемой – в толпе. Это сложнее, чем вы могли бы подумать. Есть совсем немного факторов, которые не влияют на управляемость, но основные влияющие факторы следующие:
- высота центра масс;
- характеристики перераспределения веса;
- геометрия подвески и симметричность;
- момент инерции вокруг вертикальной оси;
- податливость шасси и рычагов подвески (жёсткость на кручение и поперечная жёсткость);
- характеристики дифференциала;
- угол увода к направлению плоскости качения колеса;
- аэродинамический баланс.
Компромиссы и обмены
Сейчас должно быть совершенно понятно, что абсолютно невозможно сочетать максимум ускорения с максимумом в преодолении поворотов, наибольшей максимальной скорости и оптимальными характеристиками управляемости на любой машине. Я не выставлю драгстер в Индианаполисе, потому что он не умеет поворачивать. Он не хочет поворачивать потому, что он сконструирован и доведён для достижения максимального ускорения. У него узкая колея, очень длинная колёсная база и ненормальная концентрация веса на задних колёсах. У него маленькие передние колёса и нет подвески. Он ничего не хочет знать о поворотах – он должен разгоняться. Также A. J. лучше не выставлять свой Coyote в Ирвингдэйле. Даже если у него достаточно мощности, он не сможет перераспределить достаточно веса на задние колёса, широкие передние колёса будут его тормозить и т. д. и т. п. Всё это достаточно понятно.
Однако может быть не совсем понятно, что такие же обмены и компромиссы также возможны в поведении любой гоночной машины на трассах, для которых она предназначена. Если мы можем увеличить ускорение на выходе за счёт скорости в апексе или наоборот, или если мы можем увеличить скорость в апексе за счёт максимальной скорости, или что-то ещё, то мы имеем возможность улучшить наше время на круге. Только чтобы сделать наши рассуждения чуть более сложными, мы должны осознать, что оптимум для данной машины на трассе Лонг-Бич, с её медленными поворотами, будет намного отличаться от оптимума для трассы Мосспорт с её очень быстрыми поворотами. К тому же нет ни одной пары абсолютно одинаковых водителей и одинаково настроенных машин, и наши знания о динамике машины постоянно улучшаются, поэтому мы начинаем понимать, почему это дело непростое.
Есть мнение, особенно распространённое среди тех, кто только начинает заниматься автоспортом, что для победы необходимо купить лучшее шасси, установить на него лучший двигатель, посадить в кокпит лучшего гонщика и начать коллекционировать призы за первые места. Это не так!
Допустим, у вас есть достаточно запчастей, оборудования, есть компетентные механики и хороший менеджер для организации процесса – это хороший способ постоянно финишировать третьим или четвёртым. Но этого недостаточно для победы. Побед не будет, так как кто-то другой купил такое же шасси, двигатель, посадил в кокпит такого же классного гонщика, приложил много труда и знаний – настроил всё это – и разрушил ваши мечты. Вот для чего нужны настройки – это разница между первым и третьим местом.
Чтобы стать конкурентоспособным, и оставаться таковым, необходимо настраивать машину. Основная причина вытекает из самой природы динамики автомобиля – существует так много компромиссов, что мы никогда не сможем понять оптимально возможного поведения на трассе. Так как конкуренты тоже не стоят на месте, то и мы должны двигаться вперёд. Но есть ещё и естественные ограничения, накладываемые любой машиной, которую вы сможете купить.
*****************************************************************************
Tune to Win часть 2
Ограничения машин, купленных на стороне
Во всех гоночных автомобилях полно компромиссов. Купленные «кит-кары» имеют их больше, чем машины собственной разработки. Объективным критерием является цена. Производитель кит-кара жёстко связан своими расходами. Он занимается самым рискованным делом, постоянно рискует и балансирует на грани между прибылью и банкротством. Даже если у него есть отличные разработки, он подчас не может воплотить их в жизнь, так как у него нет средств на новое оборудование и/или он может быть напуган потерей рынка сбыта из-за чрезмерно высокой цены. Также он не может позволить себе сделать большой качественный скачок, который с малой долей вероятности приведёт к успеху – помните Lola T400?
Это только часть проблемы. Другая часть состоит в том простом факте, что большинство производителей не участвуют в гонках. А успешные профессиональные команды не делают автомобилей на сторону, так как это всё равно, что срать себе в карман: больших денег это не приносит и неизбежно ослабляет гоночный потенциал команды. Производители кит-каров не участвуют в гонках, потому что не могут себе этого позволить. Так как они не смогут продавать много машин без успехов на гоночных трассах, о которых они смогут трубить на весь мир, то они обычно сотрудничают с тщательно отобранными командами в надежде на то, что эти «заводские» команды выиграют и тем самым обеспечат спрос на их продукт. Команда проводит полный цикл тестирования и доводки и предположительно извещает завод об огромной выгоде для клиентов. Удачи! Гоночная команда всегда покажет вам, каким трудом достаются ей победы, при средних выступлениях конкурентов. Гонщики понимают это также медленно, как вода точит камень.
Кроме того, за определённый срок до начала производства новой партии машин, их конструирование должно быть закончено, или они никогда не будут построены. После этого лучшее, на что вы можете надеяться – это возможность купить самые современные дорогие «киты».
И последнее, о чём хочется сказать, это характеристики шин и водительское мастерство. Разработка могла вестись совсем на других трассах, кардинально отличающихся от тех, на которых вам предстоит выступать и/или на шинах с другими характеристиками. Также она могла проводиться опытным водителем-испытателем, чьё мастерство и опыт компенсировали нервозность машины, к которой ваш начинающий гонщик ещё не готов.
Настройка
В любом случае то, что вы купите, будет вашей отправной точкой. В классах с высокой конкуренцией невозможно выигрывать гонки вне боксов. Прогресс зависит от вас. Вы осуществите его с помощью настройки.
Моё определение настройки – это просто любое намеренное изменение любого компонента системы гоночного автомобиля, направленное на увеличение вероятности победы в гонках. Снятие ненужного веса – это настройка. Также это – увеличение эффективной мощности, улучшение сцепных свойств в повороте, уменьшение сопротивления и что-либо ещё, что заставляет машину ехать быстрее, быть более управляемой и надёжной. Конечно, надёжность больше зависит от подготовки, чем от настройки.
Что происходит вокруг?
С момента выхода ”Prepare To Win” я получил много положительных отзывов. На тот момент никто не возражал и даже никто не нашёл никаких ошибок в изложенных фактах, процедурах и рекомендациях. Сейчас это не так! Настоящая подготовка гоночной машины, самолёта или инструмента состоит только в сравнении того, что было изучено людьми, кто использует данное оборудование в аналогичных условиях, и отборе наиболее ценных знаний. Опыт и рассудительность необходимы, но эта область знаний до сих пор не исследована до конца.
Ничто из вышесказанного неприменимо в настройке – по крайней мере, в настройке гоночного автомобиля или любой его части. Настройка похожа на конструирование, так как если бы она была точной наукой, то все машины, выведенные на старт, были бы абсолютно надёжными, гонщикам не на что было бы жаловаться, а любая модификация либо технический экзерсис работали бы и машины бы всё время ездили змейкой.
Ничего подобного не происходит. Мы проводим большую часть нашей профессиональной жизни, решая одну проблему за другой – удивляясь тому, что наши блестящие идеи почему-то не работают – находясь в постоянном поиске собственной чаши Грааля. Однажды мы совершаем прорыв, и думаем, что это – верный путь к нашей цели. Затем мы неминуемо обнаружим, что та частичка знаний, которую мы только что постигли, всего лишь позволяет пролить свет на новый круг проблем. Ясность – это одна из форм полного тумана.
Основная проблема всегда проста. Мы знаем недостаточно о том, что мы делаем. Это не значит, что все гонщики – тупоголовые ленивые бараны. Наоборот – самые опытные и трудолюбивые до сих пор землю так и не перевернули! Из-за того, что есть удача – деньги, время, связи – никто до сих пор детально не определил, что происходит в динамике автомобиля, движущегося по гоночному треку.
Как такое может быть? Кроме того, современные самолёты намного сложнее, чем гоночные машины, они передвигаются на гораздо больших скоростях и должны преодолеть силу притяжения, чтобы взлететь. Их быстро довели до наивысшей степени совершенства и, говорю это с прискорбием и восхищением, модели с чертёжной доски и из аэродинамической трубы показывают превосходные результаты. Почему мы не можем достичь подобного уровня с нашими довольно простыми машинами?
Тому есть несколько причин. Во-первых, физически самолёт находится только в одной среде, воздухе, и имеет возможность вращения вокруг всех трёх осей: продольной, поперечной и вертикальной. Кроме взлёта и посадки они свободны от взаимодействия с поверхностью земли. Если у пилота возникают проблемы рядом с землёй, он всегда может подняться. Когда это невозможно, то и пилоты, и конструкторы становятся гораздо более заинтересованными в стабильности, а не в предельных характеристиках. Поэтому самолёты будут хорошо управляться только в пределах ограничений их характеристик. Лётчики сельскохозяйственной авиации, боевые истребители и пилоты элитных подразделений меня простят – их работа здесь не обсуждается.
В крайнем случае, если конструктор, строитель, механик или пилот самолёта ошиблись, то у пилота есть возможность катапультироваться. В случае с гонщиком всё гораздо сложнее, и только Бог и он сам помогут ему выйти сухим из воды.
Среди высокотехнологичных машин гоночный автомобиль является уникальным снарядом. Он передвигается как по одной среде – земле, так и в другой среде – воздухе. Они воздействуют на него одновременно, иногда конфликтуя между собой. У автомобиля всего две степени свободы при вращении, и в этом он строго ограничен. Хотя вращение вокруг вертикальной оси является обычным явлением, оно не приветствуется. Ничего хорошего нельзя сказать и о вращении гоночного автомобиля вокруг продольной и поперечной осей. Автомобиль находится в постоянном контакте с землёй и одновременно испытывает сопротивление воздуха с постоянно меняющимися углами и скоростью. Он будет неуправляемым, если исключить взаимодействие с воздухом, землёй и гонщиком.
Гонщик управляет всего тремя вещами при взаимодействии машины с землёй: ускорением, замедлением и поворотом – но в любом случае, только в пределах сцепных свойств шин. Всё происходит по неизменным законам физики, а поведение машины можно изменять до определённых пределов, и становится очевидно, что законы действительно неизменны. Гонщик не может влиять на силы воздействия земли и воздуха на автомобиль. Он может их предвидеть и/или реагировать на них таким образом, чтобы избежать аварии. У него нет непосредственного контроля над аэродинамикой машины. Только если он не дремлет и хочет быть конкурентоспособным, он будет постоянно сочетать повороты с замедлением и ускорением – и всё это на пределе сцепных свойств шин бок о бок с другими гонщиками. «Если вы полностью контролируете этот чёртов автомобиль, то вы едете недостаточно быстро».
В последние несколько лет стало технически возможно просчитать многое из того, что происходит с мечущимся из стороны в сторону гоночным автомобилем. Джим Холл был первооткрывателем в этой области. Форд делал инструментальные замеры во время последней Ле-Мановской программы, Донахью и Пенске сделали гораздо больше, и сейчас этим заняты Феррари, Макларен и Тирелл. Я сомневаюсь, что всё это совершенно случайно, так как каждый из них имел от этого выгоду.
Просчитав данные телеметрии и сравнив их с тем, что чувствует гонщик и расчётами инженеров, можно начать изучение полученных данных. Изменяя автомобиль, можно получить требуемые оптимальные характеристики. По-моему, никто до сих пор так и не осуществил полной программы доводки с помощью телеметрии. В гонках не участвуют правительства и гигантские корпорации, а у гоночных команд нет достаточно средств на осуществление подобных программ. Мы не будем уделять много внимания интенсивным инструментальным замерам, так как непохоже, что читатель будет иметь возможность сделать их.
Но всё не так плохо. Гонки, к счастью, остаются той областью, где рукастый механик, который ставит и пробует, обычно превосходит инженера. Это происходит из-за того, что обычный инженер будет вынужден работать при отсутствии множества данных, которые ему необходимы для расчётов. Он обычно недооценивает роль пилота и переоценивает важность аэродинамического сопротивления. В этом сверхорганизованном мире есть немного технических областей, где одиночка может добиться успеха. Если он будет нормально соображать и упорно работать, то гонки будут одной из них.
Так что же мы делаем и как мы решим, в каком направлении работать? Поэтому это всё-таки больше искусство, нежели наука. Мы настраиваем буквально всё: от головы гонщика (обычно наиболее эффективный путь, который в этой книге не рассматривается), до протектора дождевых шин и мощности двигателя (обычно наименее эффективный путь). К счастью, мы будем заниматься этим от заводской базы до пределов наших знаний динамики машины. Мы будем делать это логическим путём и направлять свои усилия таким образом, чтобы получить максимум улучшения характеристик на вложенный доллар и потраченный час. К тому же мы будем последовательны. Мы постараемся избежать обычного человеческого желания улучшить всё и сразу, и будем поочерёдно улучшать каждую из областей: аэродинамику, неподрессоренные массы, колею и что-либо ещё. Гоночная машина – это система, где каждый её компонент влияет на всю системы в целом – хотя это и не всегда так. К тому же зачастую любая характеристика влияет на остальные и нужно отследить её влияние на общее поведение машины. Если это крепко засядет у вас в голове, то вы сможете достигнуть максимального результата минимальными средствами. Если мы сойдём с этого пути, то успех будет во многом случайным.
*****************************************************************************
Tune to Win (part 3)
Малые улучшения времени на круге
Настало время поговорить о важности незначительных улучшений времени на круге. Каждый гонщик знает, что секунда с круга – это реальной и значительное преимущество. На самом деле, любой настоящий гонщик продаст свою маму и отдаст свою жену в публичный дом только чтобы получить секунду преимущества на круге. Кроме того, секунда с круга в Риверсайде означает сорок секунд в конце гонки. Ну и кто когда-нибудь выигрывал там с таким преимуществом? А теперь попытайтесь понять, что одна десятая с круга тоже важна. Я хочу открыть перед вами тайну! Преимущество в 0,1 секунды с круга в гонке из сорока кругов означает 4 секунды преимущества на финише – это достаточно для победы.
Самая большая ошибка гонщиков состоит в том, что они хотят совершить огромный скачок и разом значительно сократить время на круге. Если предположить, что у нас отличное оборудование, то огромного скачка не будет.
Во времена существования Формулы-5000 Марио Андретти в квалификации имел две секунды преимущества над вторым местом и пять секунд над десятым не из-за своего двигателя, шин или базового шасси. Это преимущество Марио обеспечил себе за счёт своего водительского мастерства, хотя, как поклонник таланта Андретти, я, быть может, несколько преувеличиваю. Реальный отрыв состоит из суммы многих малых улучшений – десятые и сотые собираются в течение многих часов тестирования и настройки. Если машина базово уже настроена, то всё, что вы можете добиться своими настройками – это десятые и сотые. И этого достаточно.
В следующих главах я намерен затронуть более тонкие области динамики автомобиля, влияющие на поведение гоночной машины. Я попробую сделать это в достаточно простой и логичной форме, используя минимум вычислений и формул. Эта книга не пособие по конструированию, также она не призывает «делать как написано». Здесь вы не найдёте того, что если уменьшить диаметр переднего стабилизатора, то можно снизить недостаточную поворачиваемость. Наоборот, эта книга расскажет вам о принципах того, как работает гоночный автомобиль и дополнительных возможностях изменения его поведения на трассе в определённом направлении.
Мы будем рассматривать различные силы, действующие на автомобиль, и его ответные реакции на них. А затем мы ознакомимся со спецификой того, как изменить или модифицировать ответные реакции с помощью настройки. Мы не будем рассматривать драгстеры, так как я мало что в них понимаю.
В основном, мы будем озабочены гоночными дорожными машинами, хотя виртуально всё это можно перенести и на кольцевые болиды даже на мощёных треках. Также я ничего не знаю о бигфутах и гонках по бездорожью. Однако, я убеждён, что и там также действуют законы динамики и весь следующий материал там может быть применён, конечно же, с изменениями для данных условий. Изложенные принципы постоянны, но мы должны соизмерять их применимость с условиями задачи. Наука неизменна. Только наши интерпретации и допущения вызывают некоторые пертурбации.
По определению, гоночный автомобиль проводит всю свою жизнь, балансируя на грани сцепных свойств шин. Если это не так, то он либо находится на той части трека, где сцепление не так уж и важно (то есть на достаточно длинной прямой, когда крутящего момента на колёсах уже недостаточно для пробуксовки), либо гонщик едет недостаточно быстро. Самое время обратить внимание на то, какие факторы влияют на сцепление и на те, которые его обеспечивают. Нас никогда не будет интересовать использование менее 85% потенциала.
Гоночная шина
Машина Формулы-Форд имела лишь один значимый фактор, такой же, как и у чемпионских машин Индианаполиса – она взаимодействовала с полотном трека только посредством четырёх пятен контакта её шин. Через них на машину передаются все силы, которые заставляют её разгоняться, замедляться и поворачивать. Также только через них передаются все воздействия водителя на органы управления и обратная связь от дороги, которая позволяет водителю осуществлять или восстанавливать контроль над машиной при управлении на пределе.
Любая дискуссия о динамике автомобиля должна начинаться с рассмотрения рабочих характеристик пневматической шины – более конкретно – гоночной шины. Предмет сложен и непрост в понимании. Мы обсудим основы того, что нужно знать и оставим множество тайных аспектов для могикан из Акрона.
Вертикальная, или нормальная нагрузка
Вертикальная или нормальная нагрузка – это сила, приложенная к колесу в направлении, перпендикулярном поверхности дороги. Она выражается в фунтах и килограммах и является суммой части веса автомобиля и части аэродинамической прижимной силы, приходящихся на данное колесо в данный момент времени.
Так как вес автомобиля постоянно перераспределяется и прижимная сила зависит от квадрата скорости, то и вертикальная нагрузка на любую шину также постоянно изменяется. Важно заметить, что термин «нормальная» означает направление действия силы, перпендикулярное поверхности дороги, а не «обычную» нагрузку на колесо. Чтобы избежать разночтений, мы будем использовать термин «вертикальная» нагрузка.
Коэффициент трения
Когда Исаак Ньютон открыл законы трения, пневматическую шину ещё не изобрели. Когда её изобрели, все думали, что она будет подчиняться закону Ньютона, и поэтому она не сможет передать в любом направлении силу, большую, чем приложенная к ней вертикальная нагрузка. Можно сослаться на то, что эксперты долгое время считали, что рекорды в драг-рейсинге будут ограничены максимально возможным ускорением в 1G – что соответствовало бы ускорению полноприводного драгстера, когда сила, действующая на него при разгоне, была бы равна его весу.
Эксперты забыли предупредить об этом драг-рейсеров, которые всё улучшали и улучшали свою технику и в конце концов преодолели этот «барьер», как будто его не было вовсе. Его на самом деле не было.
Гоночная шина не подчиняется ньютоновским законам трения – они действуют для трения между гладкими телами. Она может и передаёт силы, большие, чем приложенная к ней вертикальная нагрузка. Кроме того, она может передавать не только силы ускорения, замедления и поперечные силы, но и их комбинации. В случае комбинации продольных и поперечных сил их сумма может быть значительно больше максимально возможных сил в каждом из этих направлений.
В настоящее время на сухом покрытии гоночная шина передаёт около 800 фунтов нагрузки в идеальных условиях при вертикальной нагрузке в 500 фунтов. Соотношение между силой, приложенной к колесу в плоскости дороги и вертикальной нагрузкой, называется «коэффициентом трения шины». В нашем случае мы получим 800/500=1,6. Это означает, что в идеальных условиях наша шина может обеспечить ускорение или замедление в 1,6G или развить боковую перегрузку в 1,6G – этого достаточно, чтобы заболела ваша шея.
Важно понять, что у коэффициента трения нет направления. Он лишь показывает максимум силы, которую может передать шина в сравнении с аналогом при одинаковых условиях. Нужно взять это за основу при изучении динамики шин, так как конструкторы шин используют его как одно из средств предсказания характеристик и характера управляемости шин различной конструкции.
Но не думайте, что если используемые вами шины показывают коэффициент в 1,5, то вы сможете проходить повороты с перегрузкой в 1,5G. Этого не будет по следующим причинам: из-за особенностей динамики автомобиля и шин, из-за особенностей покрытия данной трассы. Важно помнить, что максимум передаваемой шиной силы является произведением вертикальной нагрузки на шину в данный момент и коэффициента трения в данных условиях. На них влияет масса постоянно меняющихся факторов: скорость, перераспределение веса, состояние покрытия, температура шины и ещё куча всего другого.
Поперечную составляющую мы будем называть «боковой силой», это просто ещё одно название центростремительного ускорения. Продольную составляющую мы будем называть «запасом сцепных свойств». Для простоты мы будем считать, что запас сцепных свойств будет одинаковым во всех направлениях.
Проскальзывание
Проскальзывание, наверное, самая обсуждаемая и наименее исследованная основная характеристика шины. Проскальзывание подразумевает скольжение, и большинство людей готовы верить в то, что при проскальзывании шина скользит. Это не так.
На самом деле есть два совершенно различных типа проскальзывания – поперечное и продольное. Проскальзывание в поперечном направлении характеризуется «углом проскальзывания» или «углом увода» и вызывает боковую силу, которая заставляет автомобиль поворачивать. Проскальзывание в продольном направлении характеризуется «степенью проскальзывания» или «процентом скольжения» и вызывает продольное ускорение или замедление. Сначала мы познакомимся с углом увода.
Угол увода
Углом увода пневматической шины называется «угол между плоскостью вращения колеса (направления, куда повёрнут колёсный диск) и следом колеса на дороге в данный момент». Этот след и является совокупностью отпечатков пятен контакта шины. Для изменения направления движения автомобиля независимо от скорости и радиуса поворота каждая шина будет иметь определённый угол увода. Теперь давайте разберёмся, почему это так.
Существование феномена угла увода объясняется эластичностью пневматической шины на скручивание, то есть, когда её поворачивают, та часть протектора, что находится в контакте с полотном трассы, будет сопротивляться поворачивающему моменту из-за эластичного трения между резиной и асфальтом. Протектор вблизи пятна контакта вследствие своей эластичности будет деформироваться и поэтому будет повёрнут на меньший угол, чем обод колеса. Поэтому пятно контакта и, следовательно, след колеса на трассе, будут смещены относительно плоскости вращения колеса на определённый угол.
Так как колесо вращается, то та часть протектора, что находится в контакте с дорогой, постоянно меняется – если мы вычленим определённый участок протектора, то он большую часть времени находится вне контакта с дорогой. Когда он в процессе вращения подходит к поверхности дороги, он проходит путь от начала пятна контакта к его середине и далее к концу пятна контакта. Всё это время мы будем наблюдать его эластичную деформацию.
Однако, так как шина является твёрдым телом и её молекулы связаны друг с другом, то деформация начинается ещё до момента контакта с асфальтом. Это постепенный процесс. Когда эти молекулы выходят из пятна контакта, резина «восстанавливается» и возвращается в своё нормально состояние. Резина есть резина, эта обратная деформация или отдача энергии происходит значительно быстрее первичной деформации.
Важно, что мы никак не связываем угол увода с углом поворота управляемых колёс, который измеряется как угол между плоскостью вращения управляемого колеса и продольной осью автомобиля. Далее мы намерены бросить короткий взгляд на то, что действительно происходит в контакте резины с дорогой.
Природа «прилипания»
Гоночная шина имеет сцепление с трассой за счёт механического зацепления протектора за микронеровности дороги и моментальной адгезии молекул протектора к молекулам асфальта. Эта молекулярная адгезия проявляется только при больших нагрузках и коэффициентах сцепления. И это причина, по которой мы оставляем впечатляющие чёрные следы на трассе при том, что колёса не скользят и не блокируются.
Я не требую понимания физики этого процесса. Для тех, кто этим сильно заинтересовался, я рекомендую «Обобщённую теорию шин и трения резин» Каммера и Майера, и «Физику сцепления шины» под редакцией Хейза и Брука. Первая более всеобъемлющая, а вторая более понятная.
Взаимосвязь между углом увода, коэффициентом сцепления и боковой силой
Коэффициент сцепления зависит от угла увода. Поэтому и боковая сила зависит от угла увода. Коэффициент и боковая сила увеличиваются при увеличении угла увода до определённого максимума. Как только он достигнут, дальнейшее увеличение угла увода будет вызывать уменьшение коэффициента и соответствующее уменьшение боковой силы – шина «срывается» или «теряет сцепление».
Максимум величины коэффициента на графике определяет максимально возможную боковую силу, которую в состоянии обеспечить шина. Форма графика определяет управляемость при высоких боковых перегрузках. Нам необходимо, чтобы коэффициент нарастал быстро и линейно до максимума (скажем, 80% максимально возможного).
Это позволит гонщику быстро и уверенно заходить в поворот. После этого график должен иметь «полку». Это необходимо для того, чтобы дать пилоту более широкие возможности для баланса на грани сцепления. Этот участок графика, когда увеличение угла увода не приводит к увеличению боковой силы, называется «пороговым диапазоном». Когда по мере увеличения угла увода коэффициент начинает снижаться, он должен делать это плавно, так, чтобы гонщик, который превысил пороговое значение, сразу не улетел с дороги вниз вместе со значением коэффициента.
Такая характеристика шины даёт возможность плавных и эффективных переходов от торможения к повороту и от поворота к ускорению. Если, к примеру, характеристика будет как на рис. 2d, человеческие возможности не дадут даже самому опытному и одарённому гонщику использовать весь потенциал его шин, и мы будем иметь отвратительную машину, которая будет много скользить, но «держака» у неё не будет.
При увеличении боковой силы вследствие увеличения угла увода постоянно увеличивается эластичная деформация пятна контакта. Как только мы достигнем максимума, резина в пятне контакта начинает утрачивать свою эластичную способность и некоторые микроучастки начинают скользить. В этот момент в пятне контакта происходит как эластичное трение, так и трение скольжения. Если мы будем и дальше увеличивать угол увода, то та часть протектора, что находится в скольжении, будет увеличиваться, а та, что ещё находится в эластичном состоянии будет уменьшаться до тех пор, пока шина полностью не сорвётся в скольжение. В какой-то момент перед тем как зарождается скольжение и до того, как оно полностью охватывает пятно контакта, коэффициент достигает своего максимума. В любом случае, если мы зафиксируем угол увода, то и коэффициент и боковая сила также будут постоянны.
Само по себе пятно контакта имеет форму неправильного эллипса. Из-за сжатия протектора и боковины местное давление на этом участке будет изменяться и, таким образом, каждый микроучасток пятна контакта вносит свой вклад в создание боковой силы. Это местное давление близко к нулю в начале пятна контакта и достигает своего максимума перед конечным участком. Оно также изменяется в поперечном направлении в зависимости от боковой силы и угла развала.
Когда резина в пятне контакта начинает переходить от эластичного трения к скольжению, то оно зарождается в самых тяжелонагруженных участках пятна контакта и, при увеличении угла увода, скольжение начинает распространяться по пятну контакта к менее нагруженным участкам. Точка, где начинается скольжение, соответствует концу наклонного участка графика. Точка, где шина полностью переходит в скольжение, соответствует концу горизонтального участка графика, после которого всё очень быстро летит в тартарары.
Важно заметить, что даже если мы превысили критический угол увода и перешли точка максимума «держака», шина по-прежнему создаёт боковую силу. Она не полностью теряет сцепление с дорогой, как это может показаться гонщику. Когда шина полностью исчерпала свои эластичные возможностью и полностью скользит, она по-прежнему создаёт значительную боковую силу и если в этот момент уменьшить угол увода, то можно вернуть потерянное сцепление. Позднее мы вернёмся к этому вопросу.
Важно понимать и то, что хотя мы говорили об углах увода передних управляемых колёс, угол увода есть у любого колеса, если к нему приложена боковая нагрузка. На входе в поворот нормальным действием гонщика является инициирование поворота автомобиля поворотом управляемых колёс в направлении поворота. После очень маленькой задержки передние колёса приобретают некоторый угол увода и автомобиль начинает поворачивать. Центробежная сила, вызванная поворотом автомобиля, действует через шасси на задние колёса, которые затем также приобретают свои углы увода и создают боковую силу – автомобиль после некоторых неприятных колебаний встаёт на дугу. Боковые силы и углы увода также зависят от дефектов трассы (одиночный или диагональный подброс), бокового ветра, колебаний мощности, приложенной к ведущим колёсам, неравномерности торможения, атак поребриков и/или других автомобилей.
Далее для простоты мы будем рассматривать шины с постоянной вертикальной нагрузкой, перпендикулярной абсолютно ровной поверхности. Конечно, в действительности это будет одна из шин автомобиля, которая подвергается постоянно меняющимся нагрузкам, возникающим на реальной трассе. Не беспокойтесь об этом – все эти особенности мы рассмотрим позже.
Это достаточно удивительно, но гоночные шины работают при гораздо меньших углах увода, чем обычные. И, конечно же, соответствующие значения коэффициента боковой силы значительно больше. Этому есть две причины. Первая, за последние 15 лет (Миккей Томпсон начал революцию широких шин в 1962 году) мы значительно уменьшили соотношение длины пятна контакта к ширине шины – поэтому сейчас пятно контакта гораздо больше вширь, чем в длину. Разработка дорожных шин движется в том же направлении, но гораздо медленней. Интуиция подсказывает нам, что невозможно удерживать шину на её основной оси в поперечном направлении, так как чем больше угол увода, тем больше шина с её основной осью поворачивается в сторону продольной оси. Именно поэтому Формула-Форд проходит медленные повороты с гораздо большим углом заноса, и поэтому старые машины Ф1 допускают большие углы увода, чем нынешние.
Однако, есть ещё одна причина. Большие углы увода приводят к большему нагреву шин, чем малые. На этот разогрев, если только он не необходим для прогрева протектора до оптимальной температуры, мы тратим мощность, шина разрушается и мы не улучшаем наши выступления. Гоночная шина сконструирована для эффективной работы только в узком диапазоне температур. Чем меньше углы увода, при которых достигается определённый коэффициент сцепления, тем более эффективной будет шина и тем мягче можно будет применить резину для протектора. Чем мягче шина, тем больше у неё эффект прилипания и она может передать большую боковую силу. На самом деле, всё это ещё связано с податливостью боковин, весом автомобиля, располагаемой мощностью, характеристиками трассы и бог знает чем ещё. Также кинематика рулевого привода должна позволять создавать угол увода при максимальном коэффициенте для данной трассы.
Чтобы познакомить вас с некоторыми цифрами, скажу, что задние шины Формулы-5000 или Can Am несколько лет назад (нет доступа к современным данным) достигали максимального коэффициента 1,4 при угле увода около 10 градусов и график был плоским от 9 до 14 градусов.
Любой автомобиль и любой гонщик допускают определённый уровень углов увода при движении по кривой. Эй Джей Никки и Марио в начале своей карьеры допускали очень большие углы увода – и ездили с ними последовательно и постоянно. Любая домохозяйка на пути в супермаркет также допускает углы увода – очень маленькие, но не такие постоянные – но это всё-таки углы увода. Гений может управлять гоночным автомобилем, постоянно балансируя у максимума коэффициента сцепления и не срывая шины в скольжение.
Степень проскальзывания или процент проскальзывания
В продольном направлении степень проскальзывания влияет на сцепные свойства шины также, как угол увода влияет на величину боковой силы в поперечном направлении. Механизм трения в каждом из этих случаев примерно одинаков – совокупность механического зацепления и молекулярной адгезии, которая создаётся до момента полной пробуксовки. Также как и с углом увода, любая шина достигает своего максимального коэффициента и поэтому этот максимум достигается при определённой степени пробуксовки. После него как коэффициент, так и сцепление шины будут падать. Это не означает, что шина должна бешено крутиться для достижения максимального ускорения или блокироваться для максимального замедления.
На самом деле, видимая значительная пробуксовка или блокировка колёс означают, что критическая точка уже пройдена и момент на колесе превышает тот, который способна передать шина в данных условиях. Как при ускорении, так и при торможении максимум сцепления достигается при небольшой пробуксовке или кратковременной блокировке. При этом имеет место рассмотренное скольжение, но всё же преобладает адгезия. График зависимости коэффициента сцепления от степени пробуксовки похож на график угла увода, но он более крутой, а полка на графике гораздо больше.
Если мы сможем поддерживать степень пробуксовки на уровне максимума, мы сможем реализовать максимально возможное ускорение. На самом деле это является проблемой только когда подводимый крутящий момент превышает сцепные свойства ведущих колёс, как, например, при выходе из медленных поворотов. Немного сложнее достигать этого постоянно.
Достаточно просто посмотреть на выходы из медленных поворотов в гонках Can Am и Ф1. Поворот не такой уж и медленный, но достаточно медленный для того, чтоб двигатель сорвал задние колёса в пробуксовку. Самый быстрый выход будет всегда достигаться за счёт незначительной пробуксовки данных колёс. Но лучшие гонщики не допускают пробуксовки до дыма. Быстрейший выход будет у того, кто всегда избегает дыма из-под колёс – это родственник Короля позднего торможения.
И снова вертикальная нагрузка
Коэффициент сцепления немного снижается при увеличении вертикальной нагрузки на шину. Однако, из-за конструктивных особенностей шины её способность к передаче боковых сил, связанная с коэффициентом сцепления, увеличивается вместе с вертикальной нагрузкой. Это происходит следующим образом. Так как вертикальная нагрузка на данную шину увеличивается, а площадь пятна контакта остаётся постоянной, то местное давление в пятне контакта должно увеличиться. Чем больше местное давление, тем меньше резина сопротивляется срыву в скольжение и коэффициент уменьшается. Однако, график ниспадает очень плавно, поэтому увеличение вертикальной нагрузки превышает уменьшение коэффициента. В результате мы имеем график увеличивающихся сцепных свойств (как в продольном, так и в поперечном направлении) при увеличении вертикальной нагрузки.
Если просто посчитать, то, предположим, к каждой задней шине приложена вертикальная нагрузка в 500 фунтов и при этом шины имеют коэффициент сцепления 1,35, таким образом, обе шины смогут создать боковую силу 1,35*500*2=1 350 фунтов. Однако, если добавить ещё по 100 фунтов нагрузки на каждое колесо при перераспределении веса назад, то мы обнаружим, что хотя коэффициент и упал до 1,33, боковая сила увеличится до 1,33*60*2=1 596 фунтов. Если теперь установить заднее антикрыло и разогнать автомобиль до такой скорости, когда оно создаст ещё 400 фунтов дополнительной нагрузки на задние колёса, то коэффициент составит лишь 1,26, но при этом боковая сила составит 1,26*800*2=2 016 фунтов. Поэтому мы не ездим без антикрыльев.
Далее мы увидим, что не всё так просто, но главное то, что при увеличении нагрузки на любую шину её сцепные свойства увеличиваются. И наоборот, снижение вертикальной нагрузки уменьшает сцепление. Поэтому драгстеры перераспределяют очень большую часть веса назад и поэтому мы так пристально не следим за перераспределением веса на выходе из поворота в наших дорожных гонках.
Это соотношение нелинейно, и, надо заметить, что когда мы говорим о вертикальной нагрузке на переднюю или заднюю ось, она будет зависеть от перераспределения веса во время поворота. Мы рассмотрим природу этого продольного перераспределения и его последствий позднее. А сейчас мы просто примем как данность то, что в повороте часть нагрузки перераспределяется с внутреннего колеса на внешнее. Даже если общая нагрузка на ось останется неизменной, пара неравномерно нагруженных колёс не сможет обеспечить такую же боковую силу, как пара равномерно нагруженных.
Допустим, на каждое колесо приходится по 400 фунтов вертикальной нагрузки. Тогда пара равномерно нагруженных колёс способна передать 1,4*400*2=1 120 фунтов боковой силы, и если скорость в повороте будет ограничена только сцепными свойствами передних колёс, то автомобиль в идеальных условиях сможет достичь боковой перегрузки 1 120/800=1,4G. Однако, если мы допустим 80% перераспределения веса, что вполне естественно для передних колёс, то на наружное колесо будет приходиться 400+400*0,8=720 фунтов нагрузки, тогда как на внутренне колесо останется только 80 фунтов. Обращаясь к графику мы получим теперь, что наружное колесо сможет создать 936 фунтов боковой силы, а внутреннее – 120 фунтов. Таким образом, на переднюю ось будет действовать суммарная боковая сила в 1 056 фунтов и развиваемая боковая перегрузка составит только 1,32G.
Таким образом, даже несмотря на то, что продольное и поперечное перераспределение веса увеличивает сцепные свойства более нагруженных колёс, поперечное перераспределение веса между парой колёс одной оси всегда вызывает снижение сцепных свойств этой оси.
Естественно, сцепление будет возрастать до бесконечности, пока шина не взорвётся. Но обычно, если шина предназначена для автомобилей данного типа, об этом не надо беспокоиться. Возможно, однако, у нас будут подобные проблемы на трассе с высокими бэнкингами (высокий профиль виража на овале). Если вы собираетесь в Дайтону или Поконо, сперва проконсультируйтесь с шинниками.
Перевод Юрия Ветрова.
********************************************************************
Tune to Win (part 4)
Угол развала
Коэффициент и боковая сила зависят от угла развала, измеренного относительно дороги, а не шасси. Вероятно, максимум достигается при каком-то малом отрицательном развале. Это происходит из-за «силы от развала», вызванной сжатием края протектора в пятне контакта у наклонённой шины, катящейся по полотну. Если развал отрицательный, то эта сила направлена к центру поворота и увеличивает боковую силу. Если же развал положительный, то она действует в противоположном направлении и уменьшает боковую силу. Чтобы наглядно почувствовать этот эффект, возьмите обыкновенный ластик, поставьте его вертикально на деревянный стол, прижмите его к столу с некоторым отрицательным углом развала и двигайте его поперёк стола. Это ещё один феномен эластичной деформации и нам об этом более ничего не нужно знать.
Важно понимать, что если широкой и плоской шине придать большой угол развала, то она будет катиться только на одной кромке, подняв другую в воздух. Это не только снизит площадь пятна контакта, но и кардинально изменит распределение давления в нём. В этом нет ничего хорошего. Это плохо, так как на настоящий момент мы не можем хорошо контролировать угол развала в динамике и нам приходится считаться с некоторым изменением угла развала, когда оно нам совершенно ни к чему. Хорошо, что это понимают конструкторы шин, которые придумали интересную конструкцию каркаса с контролируемыми, но мягкими боковинами, такими, что большую часть времени площадь пятна контакта остаётся максимальной. Другими словами, шинники стремятся компенсировать несовершенство конструкции подвески. И они проделали отличную работу. Степень деформации боковин при компенсации наклона колеса у современной гоночной шины просто потрясающая.
Конечно, как и за всё другое, за это приходится платить. Во-первых, мы платим за это осознанием того, что если наклон превысит критический угол, то сцепление пропадёт моментально. Во-вторых, мы платим за это интенсивной вибрацией колёс после связки поворотов, если мы проходим их со значительными знакопеременными боковыми ускорениями. Впервые с этим явлением столкнулись гонщики серии Can Am и Indy в конце 60-х, которые говорили о сильной вибрации задней оси на выходе из поворотов. Естественно, сначала никто не знал, что на самом деле происходит. Все, как обычно, оценивали деформацию подвески, приводов, износ амортизаторов и тому подобные беды. В конце концов, когда все уже были готовы заклеймить позором Питера Вейсмана и его дифференциал, обнаружили, что после серии поворотов с большими боковыми перегрузками шина приобретала большое искривление перед пятном контакта, и запасённой при этом энергии на передней кромки пятна контакта было достаточно, чтобы глаза у гонщика повылезали из орбит. Только лучшие гонщики сталкивались с этой проблемой, поскольку только лучшие могли получить от шин максимум и добиться этого эффекта. Фотографии этого явления заставляли людей серьёзно задумать о смене профессии.
Модифицируя конструкцию шины, удалось уменьшить вибрации до более-менее приемлемого уровня. Теперь мы используем его как лакмусовую бумажку. Если задние колёса не вибрируют на выходе, то либо шасси не настроено на полную реализацию возможностей шин, либо гонщик едет медленно. С другой стороны, если вибрация возникает при добавлении газа и продолжается пока машина не выйдет на прямую либо пока не уменьшится крутящий момент, то всё в ажуре. Только автомобили серий Can Am, Indy и F1 способны обеспечить достаточную для этой вибрации мощность, поэтому не думайте о ней, управляя Формулой Форд.
На самом деле колёсам, приводам, главной паре легче от этой вибрации не станет, поэтому самые быстрые гонщики очень внимательны к этим вопросам. Я думаю, что это часть платы за скорость.
Температура резины
Следующим фактором, влияющим на сцепные свойства шин, является их температура. К тому же часть энергии, запасённой в сжатом и искривлённом протекторе в пятне контакта, не переходит в кинетическую при распрямлении шины на выходе из пятна контакта, а превращается в тепло. Часть его рассеивается в набегающем потоке воздуха, а часть разогревает шину. В нормальных условиях температура шины растёт до достижения термодинамического баланса и стабилизируется. Конечно, температура будет меняться на разных участках трека в зависимости от того, что делает шина и что делают с ней. На машинах с открытыми колёсами гонщики могут увидеть изменение поверхности протектора передних шин из-за нагрева во время входа в поворот.
Большинство гоночных шин работают при температуре 60-80˚С. Дождевые шины с их более мягким составом достигают своего максимума при 33-44˚С, тогда как шины для болидов NASCAR работают при гораздо более высоких температурах. Если шина работает при температуре ниже оптимального диапазона, то она плохо липнет к дороге. Если же температура слишком высока, то есть опасность разрушения из-за разрыва химических связей в резине под действием тепла. Если вы будете продолжать ехать на пузырящихся покрышках, то она взорвутся. Результатом вы вряд ли будете обрадованы.
Поэтому важны две вещи. Первое – надо быть уверенным, что температура шин составляет как минимум 55˚С. Второе – надо быть абсолютно уверенным в том, что вы не превысили критическую температуру для вашей резины. Вы её превысите, если:
– установите слишком большой отрицательный развал и «подпалите» внутреннюю кромку шины;
– установите слишком малое давление или будете ехать с медленным проколом;
– будете выступать на слишком мягких для данного трека покрышках или поедете на дождевых шинах посуху – что, в принципе, одно и то же.
Если шины, предназначенные для данного автомобиля, не достигают оптимальной температуры, то обычно это означает, что гонщик едет недостаточно быстро. Или если это сделано намеренно. В большинстве случаев водитель допускает ошибки, даже используя всё своё мастерство и опыт, чтобы взять максимум от шин и шасси. Выход состоит только в честном анализе ситуации, большем количестве тестов и в более серьёзном подходе к работе с машиной.
Иногда температура трека и его сцепные свойства так низки, что никто не может разогреть шины до оптимальной температуры. Это тот случай, когда все равны. Это также ситуация из разряда тех, когда если одна из команд сможет добиться улучшения, то она будет иметь огромное преимущество над всеми остальными. Допустим, у нас нет более мягкой резины и, в принципе, не будет. Шины можно будет разогреть, спустив давление до приемлемого уровня и увеличив положительное схождение до заранее определённой величины, чтобы машина не ездила «плугом». Увеличение отрицательного развала также даст результат. Если же потеплело или трек вобрал достаточно резины для того, чтобы температура шин повысилась, то не забудьте всё вернуть в исходное состояние. Обычно такие условия бывают только утром, в первый день свободной практики, и быстро меняются по мере нагрева и увеличения количества резины в асфальте.
Давление в шинах
Когда шины были узкие и с глубоким протектором, коэффициент увеличивался по мере увеличения давления, и заметного улучшения времени на круге можно было добиться увеличением давления до тех пор, пока уменьшение площади пятна контакта не будет ухудшать сцепление. Тогда мощность двигателей была невелика, также как и эффективность тормозов. Давление на гонку в большей степени зависело от неровностей трека и предпочтений гонщика. На самом деле «игра» давлением была одним из немногих методов изменения характера поворачиваемости машины.
Но этого больше нет! Современные шины требуют узкого диапазона давлений для формирования правильного профиля шины, нежели узкие шины, и я в последнее время не сталкивался с дисками шириной менее 250 мм. Из моего опыта, может быть, не одобряемого производителями шин, понижение давления до безопасного минимума улучшает время на круге, скорее всего, из-за увеличения пятна контакта. 124 кПа на горячей шине вполне достаточно для гонки даже со страховочными болтами. Минимально безопасное давление достигается когда температура в центре на 3-7 градусов выше, чем у холодного края. Так как в этом аспекте оптимальная температура протектора зависит от конструкции шины, необходимо будет проконсультироваться со знающими специалистами. В любом случае, слишком высокое давление приемлемо только для высокого протектора, так как уменьшает площадь пятна контакта, а слишком низкое давление вызывает размазанные реакции, уменьшает эффективную площадь пятна контакта и сверх меры перегревает протектор.
Существует распространённое ошибочное мнение, что на трассах с длинными прямыми нужно ездить на высоком давлении. Ваша максимальная скорость увеличится недостаточно для того, чтобы компенсировать недобор скорости в поворотах из-за плохого сцепления. Скорость в поворотах, разгон и торможение значительно ухудшаются на перекачанных сверх меры покрышках.
Для запоминания есть несколько «пунктов» о давлении в шинах. Первое – у гоночных шин сильная тенденция к утечкам. В боковинах содержится минимум резины, необходимый только для связи между собой слоёв корда и не более того. Литые колёса могут травить по микропорам в диске, и страховочные болты травят через один. При каждом монтаже надо следить, чтобы боковины плотно садились на закраины обода, и лишь затем проверять колесо на утечки.
Быстро найти утечку помогут Fantastic или очиститель-409. Нанесите их на колесо и ищите пузыри. С малыми утечками в боковине можно мириться, а вот поры в диске надо заделывать или выбрасывать треснувший диск. Понятно, что ни о каких дырах в протекторе или страховочных болтах не может быть и речи. Следующее – допустимое время – накачайте шину до рабочего давления и напишите на ней давление и время измерения. Проверьте его через час. Если оно спустило больше чем на 20 кПа, его не стоит ставить на машину. Однако для практики оно вполне сгодится, если спускает не больше чем на 40 кПа за час. Просто проверяйте его и регулярно подкачивайте. Перед тем как лечь спать, накачайте все шины до определенного давления, и проверьте их утром. Перед тем как вернуть в магазин дырявую покрышку, убедитесь в том, что дыра находится именно в их шине, а не в вашем диске. Нужно самостоятельно проверять уплотнение вентиля ежедневно и обязательно наворачивать колпачок, лучше железный с резиновой прокладкой. Возможно, клапан вентиля приоткрывается от действия центробежной силы.
Воздух тоже не везде одинаковый, иногда он содержит много влаги. Это может быть из-за окружающей среды (погоды), дефектного влагоотделителя компрессора или механики просто забыли спустить давление в компрессоре после выключения. Чем больше паров воды содержится в закачиваемом воздухе, тем больше будет увеличение давления при нагреве колеса. Если влаги будет слишком много, это можно легко обнаружить. Так как нас интересует «горячее» давление («холодное» давление нас не интересует кроме как точка отсчёта), нужно определить для каждой трассы какое начальное «холодное» давление даст нам при нагреве требуемую величину. И вновь, производители шин могут не разделять эту точку зрения, и обычно рекомендуют определённое «холодное» давление для передних и для задних колёс. При одинаковой влажности величина увеличения давления при нагреве будет отличаться всего на 10 кПа для различных трасс. А при различной влажности этот разброс составит уже 20 кПа. Сухой азот снимает эту проблему, но он опасен для здоровья, дорог, и это никому не нужно.
Обычно я накачиваю колёса несколько больше, чем требуется, и спускаю их по мере нагрева резины. Если справа и слева установлено одинаковое давление, то наружные колёса будут иметь более высокое «горячее» давление. Это нормально. Ведь перераспределение веса и преобладание левых или правых поворотов (в зависимости от направления движения по трассе) никто не отменял. Я всегда выступаю на одинаковом «горячем» давлении, поэтому мне приходится определять «холодное» давление для каждого колеса. Мне кажется, для максимального использования возможностей шин нужно использовать любые, даже незначительные ухищрения.
Момент самовозврата колёс
Когда мы прилагаем боковую силу к катящемуся колесу, точка приложения равнодействующей сопротивления повороту (эффективный центр пятна контакта) находится на некотором расстоянии от геометрического центра пятна контакта, смещённая назад к наружной кромке. Это происходит из-за эластичной деформации резины и называется «сносом боковой реакции». Так как сила реакции шины приложена в этом динамическом центре, то расстояние между ним и геометрическим центром оси поворота является плечом рычага. Создаваемый при этом момент стремится вернуть колёса в положение «прямо». Снос боковой реакции составляет часть момента самовозврата. Другие его составляющие (положительный кастор и плечо обката) будут описаны ниже. Все три составляют реактивное действие на руле. Однако, плечо обката постоянно, кастор – тоже, тогда как снос боковой реакции, зависит от угла увода. Реактивное действие нарастает быстро, но также быстро начинает снижаться, когда коэффициент сцепления достигает только половины своего максимума. Снос достигает своего минимума примерно в тот момент, когда коэффициент начинает снижаться. Снижение реактивного действия на рулевом колесе служит предупредительным сигналом о полном использовании своих сцепных свойств передними колёсами и поэтому свой вылет с трассы неопытные водители описывают как «я летел легко и свободно».
Конструкция и состав шин
Хотя мы ничего не можем изменить в конструкции и составе шин, мы должны знать, что изменением конструкции каркаса можно изменить характеристики шины. Каркас должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать как вертикальные, так и горизонтальные нагрузки. Он должен удерживать протектор от расширения и искривления его профиля под действием центробежной силы и сохранять давление в шине. Он также должен обеспечить приемлемую стойкость к проколам и абразивному износу. С другой стороны, он должен быть достаточно гибким, чтобы допускать искривления – поперечные, радиальные и окружные, которые необходимы для создания сил в пятне контакта. В то же время он должен обеспечить приемлемые отклики и стабильность. Случайно этого не добьёшься.
Нити корда, которые обеспечивают структурную прочность, могут быть расположены так, как захочет конструктор и, в принципе, могут быть из любого материала. В настоящее время все гоночные шины сделаны на основе нейлона или другого подобного синтетического материала, который обеспечивает прочность, гибкость, стойкость к нагреву и малый вес. Если нити расположены радиально, то шина обеспечит наиболее мягкое поведение, но при этом, теоретически, будет неустойчива в поперечном направлении. Поэтому радиальные шины имеют брекер, преимущественно стальной. Гоночные шины сейчас не могут мириться с этой лишней тяжестью. С другой стороны, если нити расположить по окружности, у шины будет прекрасная поперечная устойчивость, жёсткое поведение и будет совершенно невозможно обеспечить ей требуемую форму профиля. Поэтому, как это говорится в рекламе, нити корда гоночной шины расположены под углом, что обеспечивает прочность в трёх направлениях одновременно. Угол укладки у гоночных шин ближе к окружному направлению по сравнению с дорожными. Это сделано для того, чтобы обеспечить меньшие углы увода, а у более эффективных шин ещё и чтобы обеспечить большую поддержку широкому профилю.
Используется минимально возможное количество слоёв лишь для того, чтобы обеспечить требуемую прочность и стабильность без запаса. Высота протектора также сведена к минимуму. Конструкция боковин являет собой компромисс между поперечной и радиальной податливостью, которая даёт поперечную устойчивость и гибкость, что позволяет протектору повторять профиль дороги несмотря на перераспределение веса, изменение развала и также позволяет шине сжиматься по окружности, что необходимо для обеспечения высокого коэффициента сцепления.
Необходимо делать края протектора максимально скруглёнными, иначе эти сильно нагруженные участки будут перегреваться и пузыриться. Последнее, но не по значению: конструктор должен определить такую структуру корда, чтобы накачанная шина имела требуемый профиль, не деформировалась под действием центробежной силы и протектор выдерживал мини-порезы от наезда на камни и тому подобное.
Поверх каркаса расположен протектор. Состав протектора гоночной шины конца двадцатого века похож на снадобье алхимиков. Изменяя качественный и количественный состав компонентов резины, шинники добиваются максимального сцепления и приемлемой для гоночных условий износостойкости. В идеале, как я думаю, для каждой трассы должна быть своя комбинация состава резины и конструкции каркаса, ну, или для группы примерно одинаковых трасс. То же самое, кстати, можно сказать и про подвески, двигатели и аэродинамические приспособления. Спасибо Богу, что пока это нет. Однако, в гонках высшего уровня мы подбираем шины для каждой конкретной трассы в зависимости от средней скорости в поворотах, вертикальной нагрузки и покрытия трассы. Если вы не участвуете в гонках Champ Car, F1 или NASCAR, вы с этим не столкнётесь. Во всех остальных гонках используется стандартные для всех трасс покрышки, которые одновременно обеспечивают и приемлемые характеристики и уровень безопасности.
Основным инструментом алхимиков является резина на основе стеарин-бутадиенового полимера, которая является основным ингредиентом. У неё хорошая прочность к истиранию, она хорошо соединяется с кордом и имеет широкую петлю гистерезиса при поглощении-отдаче энергии. Углерод используется для улучшения прочности на растяжение и поверхностных свойств, а также для защиты резины от ультрафиолетового излучения. Вы не поверите, но третьим основным ингредиентом является масло. Чем больше содержится масла, тем мягче и «липче» будет протектор, и он будет меньше страдать от масла на трассе. Также ещё много других волшебных ингредиентов о которых никто ничего не знает за пределами химических лабораторий используются для улучшения процесса вулканизации. Если шинник говорит вам о том, что они изменили конструкцию или состав резины, то хуже она от этого не стала.
Подъём на разгоне, или продольная катапульта
Драг-рейсеры говорят о «подъёме машины на колесе». Все мы видели фотографии закрученных в спираль колёс у дрегстера при старте. Также мы заметили значительный подъём задней части дрегстера (около 15 см) прямо перед стартом. Долгое время этот факт тревожил меня, но в конце концов они убедили меня в том, что это нормально и даже спланировано. При замыкании сцепления задняя ось и диски начинают поворачиваться, но протектор так сильно липнет к дороге, что шина просто-напросто закручивается в пружину и диск подаётся вперёд. При этом запасается большое количество энергии, как при растягивании резинки у рогатки. В следующий момент эта энергия катапультирует машину со старта. Вы не поверите, но современные гоночные шины сконструированы, чтобы делать то же самое, конечно, в меньшей степени, но это именно то, о чём говорил Онгейс, когда говорил, что машина поднимается на покрышках на выходе из медленных поворотов. Человеческий организм может быть очень чувствительным.
Внешний вид шины
Если гонщик использует 100% возможности покрышки, то она должна иметь характерную текстуру и внешний вид и мы должны это знать. Цвет шины должен быть матово-чёрным без каких-либо «блестящих» участков. Если они есть, то обычно они появляются на внутренней кромке и это говорит о том, что мы её перегружаем. Даже если гонщик совершил круг возврата, на поверхности протектора не должно быть посторонних включений. Если они есть, то гонщик едет недостаточно быстро. Нормально работающая шина имеет текстуру слегка искривлённых зёрен. В идеале эта текстура должна быть одинаковой по всей ширине. В действительности она будет более ярко выраженной у краёв. Если текстура становится «шарообразной», это говорит о перегреве покрышки.
Если передние шины показывают большие признаки износа чем задние, то это о говорит о явной недостаточной поворачиваемости, что бы там гонщик не говорил. Соответственно, текстурированные задние шины – сигнал об избыточной поворачиваемости. Также сильно различающаяся температура покрышек спереди и сзади – это ещё один ин
