"Tune To Win", Кэрол Смит

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.

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.

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.