Конструкторский семинар №9

Подвеска машины F-J/500

Во-первых, разберитесь с шинами!
Как мы уже упоминали, второго ноябрьского выпуска японского «Автоспорта» за 1971 год у нас пока нет. Поэтому следом за №7 идет №9.

Да, не самым интересным образом тема тут рассматривается, так как, по сути, ничего нового авторы нам не сообщают. Однако, раз уж мы переводим серию заметок, то не будем нарушать хронологию.

Внимание! Речь идет о сезоне-1971. Сами понимаете, что появления «сликов» с радиальным кордом еще остается некоторое время («Мишлен», 1972), поэтому речь в заметке идет о доступных на рынке шинах с «дубовым» диагональным кордом и «гражданском» протекторе. Отсюда и езда «по диагонали к направлению движения».

И все-таки, важный аспект все-таки имеется. Сначала шины – потом подвеска. А не наоборот.

Итак, заметка из первого декабрьского номера «Автоспорта» за 1971 год:

 

 

 

До последнего момента я примерно представлял, как определиться с очертаниями кузова и шасси. Однако для завершения сборки машины еще необходимо сделать некоторые узлы: подвеску, рулевой механизм, привод, тормозной механизм, систему управления двигателем и электрические компоненты. На этот раз сосредоточусь на подвеске.

§ Подвеска соответствует шинам

Проще говоря, концепция подвески заключается в том, как поддерживать кузов относительно шин, чтобы обеспечить их максимальную производительность. В действительности, правильно подобрав пружины и амортизаторы, можно согласовать движение шин с особенностями дорожного покрытия и сбалансировать изменения сцепления между передними и задними колесами, чтобы характеристики машины соответствовали предпочтениям гонщика.

Чтобы спроектировать отличную подвеску, в первую очередь необходимо понимать свойства шин.

Гоночные шины имеют одно существенное отличие от обычных шин для легковых автомобилей. Это ширина протектора шины. Большинство серийных седанов малого класса имеют ширину обода 3,5 дюйма. Ширина обода машины F-J/500 колеблется от 5,5 до 7 дюймов. В классе Ф-1 передние колеса имеют ширину от 10 до 11 дюймов, а задние — от 15 до 16 дюймов, что делает их чрезвычайно широкими. Это увеличивает площадь контакта между шиной и поверхностью дороги.

Идея состоит в том, чтобы сделать силу, отвечающую за сцепление автомобиля, как можно большей. Например, гоночные шины создают на 70–80 процентов больше силы, чем шины легковых автомобилей, даже при том же диаметре обода. Если добавить к этому преимущество подвески на поворотах, гоночные автомобили могут выдерживать боковую перегрузку от 1,2 до 1,5 единиц («g») по сравнению с 0,6–0,7 для обычных легковых автомобилей.

По этой причине в гоночных шинах даже небольшие изменения условий контакта шины с поверхностью дороги могут привести к большим различиям в создаваемой силе. Особенно при использовании широких шин, если угол увода (угол отклонения между направлением движения машины и направлением вращения шины) и угол развала (угол наклона шины от вертикальной плоскости) не уравновешены, шина становится «нестабильной». Создаваемая сила значительно изменится, что сделает управление чрезвычайно трудным.

Это одна из причин, почему в бескомпромиссных гоночных машинах полностью игнорируются типы подвески, которые так часто используются в новых серийных моделях.

§ Свойства гоночных шин

Итак, почему гоночные шины способны генерировать такую огромную силу? Секрет кроется в компонентах резины на поверхности протектора. Когда шина нагревается, она «плавится» и прилипает к поверхности дороги, подавляя излишнее проскальзывание между шиной и поверхностью дороги.

В состоянии без какой-либо нагрузки (на подъемнике) шины идеально круглые, но при опускании кузова на дорогу зона контакта сминается и становится плоской. Общеизвестно, что эта деформация тем сильнее, чем ниже давление воздуха в шине и чем большую нагрузку она испытывает.

При вращении шины в таком состоянии протектор деформируется при контакте с поверхностью дороги. По мере вращения деформация возвращается в исходное состояние, как только этот участок шины покидает поверхность дороги. Пока машина работает, каждая часть шины повторяет этот процесс при каждом обороте. Легко вспомнить, что когда вы сгибаете и разгибаете проволоку, то она быстро становится очень горячей. То же самое происходит и с резиной в шине. Когда тепло, выделяемое внутри резины, нагревает поверхность протектора до определенной температуры, резина в этой области становится мягче и лучше «прилипает» к поверхности дороги. Именно по этой причине шины, поначалу холодные и скользкие, при нагреве лучше сцепляются с дорогой после нескольких кругов по трассе.

Есть нюанс. Чем быстрее едет машина (гоночная, у которой кузов не закрывает колеса), тем сильнее шины нагреваются, но и больше тепла уносится обтекающим их воздухом. Этот момент нужно тоже учитывать.

Производители порой меняют состав («рецепт» резины) на поверхности протектора.

Он разработан так, чтобы хорошо плавиться и становиться липким при температуре от 60° до 90°. Однако этот температурный диапазон (широкий он или узкий), в некоторой степени зависит от конструктивной политики производителя шин.

Сила, создаваемая гоночной шиной, напрямую связана с силой, с которой протектор воздействует на поверхность дороги.

При этом условия, в которых шина сцепляется с поверхностью дороги, изменяются по-разному. Если вы внезапно нажмете педаль газа на низкой передаче, шины могут активно вращаться, но автомобиль может вовсе не ускоряться.

В гонках часто встречаются сцены, когда автомобили едут по диагонали к направлению поворота или поворачивают на поворотах со слегка наклоненными к поверхности дороги шинами. Какую силу в это время создает шина?

Когда шина вращается, при условии отсутствия проскальзывания между резиновым протектором и поверхностью дороги, каждый оборот колесо будет перемещаться на длину окружности шины. Поскольку зона контакта шины сплющена, радиус шины (он называется эффективным радиусом) становится меньше. Если быть точным, то колесо перемещается на длину окружности круга, соответствующую этому эффективному радиусу. В это время горизонтальная сила, действующая между шиной и поверхностью дороги, представляет собой сопротивление качению шины.

Однако в реальных гоночных условиях крайне редко случается, чтобы между резиной протектора и поверхностью дороги не было проскальзывания. При длительной езде на максимальной скорости по длинной прямой ситуация, конечно, близка к идеальной, но при разгоне и торможении обычно наблюдается некоторое проскальзывание в месте контакта с дорожным покрытием. На графике 3 показано, как меняется коэффициент трения шины в зависимости от этой «скорости скольжения».

Этот эксперимент проводился путем размещения шины на вращающемся барабане, и коэффициент трения достигал максимума, когда скорость скольжения составляла от 30 до 40%. Если величина скольжения больше или меньше этого значения, коэффициент трения уменьшится. Коэффициент скольжения 100% означает, что шины не вращаются, а движется только дорожное покрытие. Другими словами, это когда тормоза заблокированы. То же самое можно сказать и при ускорении. Вы можете ускориться быстрее всего, если будете ускоряться, правильно нагружая шины. Если вы поспешно нажмете на педаль газа и позволите шинам вращаться, большего ускорения ожидать не придется.

 

 

 

За счет крена шины при прохождении поворотов образуют угол, как показано на фото. В данном случае внешняя шина наклонена «положительно», а внутренняя – «отрицательно». График, показанный ранее, показывает, как поворачивающая сила шины уменьшается по мере увеличения угла развала во время поворота.

§ Угол скольжения и поворачивающая сила.

При движении по прямой машина движется в направлении вращения шин. Однако при атаке поворотов дело обстоит иначе. Как показано на рисунке 1, появляется разница между направлением поворота колес и реальным направлением движения колеса. Эта разница называется углом скольжения. Он несколько отличается для передних и задних колес.

 

 

 

Как меняется сила, противодействующая центробежной силе при прохождении поворота, или поворачивающая сила, в зависимости от этого угла увода? На графике 1 показано экспериментально исследованное это состояние. Доказано, что современные гоночные шины создают максимальную силу в поворотах при угле увода 8–9°C. Высокая поворачивающая сила означает, что шины способны хорошо сцепляться с дорогой даже при приложении большой силы в центре поворота, а это означает, что вы можете проходить такой участок на более высоких скоростях.

На графике выше скорость прохождения поворотов на участке 2 выше, чем на участке 1. Если вы посмотрите, как опытный гонщик едет в повороте, вы ясно увидите, что он как будто собирается врезаться во внутреннее ограждение, но когда он целится туда, он ускоряется еще больше и машина идет по идеальной траектории. Это можно понять из приведенного выше объяснения. Однако, если вы повернете на слишком большой угол, то превысите значение, при котором может быть получена максимальная сила поворота, и в конечном итоге вы окажетесь в положении, когда можно сказать: «Вот и все!»...

Здесь следует отметить одну вещь. Дело в том, что даже небольшое изменение угла скольжения шин может привести к значительному изменению поворачивающей силы. Эта тенденция особенно заметна на ободах большей ширины. В приведенном выше примере простое изменение угла скольжения с 1 до 1°30’ увеличивает силу поворота на 50–70 кг.

Вот почему чрезвычайно важно избегать компоновок подвески, которые допускают изменение угла схождения колес при вертикальном ходе подвески. Иначе машина будет вести себя непредсказуемо в повороте.

§ Влияние угла развала

При проектировании подвески необходимо учитывать влияние угла развала колес. Это связано с тем, что ключевым моментом в компоновке подвески является то, насколько изменяется угол развала шин при крене кузова.

Угол развала – это угол наклона между центральной осью колеса и вертикальной плоскостью. Когда шина наклонена наружу, это называется положительным (плюсовым) развалом, а когда она наклонена внутрь, это называется отрицательным (минусовым) развалом. При прохождении поворотов, если шины оказываются с углом развала, усилие в них заметно упадет. Эта тенденция особенно актуальна для шин с более широкими ободами. На графике 2 показано влияние угла развала.

Например, если поворотная сила при 0 угле развала 10-дюймового диска равна 100%, то по мере ее увеличения она постепенно снижается до 93%, 83%, 79%, 75%, 73% и т. д. Причину этого можно ясно понять, взглянув на рисунок 3. На рисунке видно, что по мере увеличения угла развала и наклона шины площадь контакта шины с поверхностью дороги уменьшается. Как объяснялось во введении, сцепление шины с дорогой достигается за счет прилипания поверхности протектора к поверхности дороги, поэтому, если площадь протектора уменьшается, сила, действующая между ними, также уменьшается. Таким образом, при использовании подвески, которая приводит к значительному наклону нагруженной шины к поверхности дороги при крене кузова, характеристики прохождения поворотов будут плохими.

§ Пружина и амортизатор

Теперь, когда мы приоткрыли завесу тайны над загадочными свойствами шин, пришло время исследовать подвеску.

Что, если бы мы отказались бы от всех этих проблемных подвесок и жестко установили колеса на шасси, как на карте? Если не считать гонок по идеально ровной поверхности, эта идея не подходит для реального использования.

Если бы дорожное покрытие было таким гладким, не было бы необходимости в подвеске. Хотя поверхность трасс и выглядит плоской, на самом деле она довольно волнистая. Особенно на старых автодромах наблюдается множество «пятен хода» и проседаний дорожного покрытия.

Что произойдет, если машина без пружин будет двигаться по дорожному покрытию, как показано на рисунке 4. На высоких скоростях машина будет сильно трястись вверх и вниз и сильно крениться. Конечно, степень этого зависит от состояния дорожного покрытия, и если оно хорошее, то не исключено, что можно рассматривать машину без подвески, но, насколько я видел на представительных трассах, таких как «Судзука», «Фудзи» и «Цукуба», реальность такова, что все равно есть много мест, где требуются пружины.

 

 

 

Например, на относительно новой трассе «Цукуба» на выходе из последнего поворота есть две небольшие неровности. Если вы наблюдаете сзади за машиной с хорошо настроенными пружинами и амортизаторами, преодолевающей эти неровности, вы увидите, что зазор между колесом и кузовом на мгновение сужается, хотя положение машины остается почти таким же. Другими словами, тяжелый кузов автомобиля почти не меняет положения относительно дороги, и только легкие шины катятся по неровностям дорожного покрытия.

Действие пружин и амортизаторов хорошо согласовано, а сами шины совершенно не отрываются от дороги, поэтому потери сцепления с дорогой практически нет даже при движении со скоростью около 160 км/ч. Эти неровности вряд ли будут компенсироваться одним только промятием шины, поэтому, если у вас машина без пружин, как карт, это может стать большой проблемой.

Это приведет к тому, что все шасси будет вытолкнуто вверх, в результате чего шины на мгновение потеряют сцепление с дорогой. Результат – сами понимаете.

Поэтому, чтобы обеспечить сцепление шин без потери контакта с землей, пружины абсолютно необходимы. Пружина не должна быть слишком жесткой или слишком мягкой. Позже я объясню, как определиться с жесткостью пружины, но для классов FJ одним из методов является выбор жесткости пружины таким образом, чтобы частота подрессоренной массы, исключая шины и т. д., составляла 90-150 колебаний в минуту (1,3-2,5 Гц). Это становится ориентиром. Более подробные цифры определяются путем натурных экспериментов и выбора жесткости пружин, подходящей для трассы.

Кстати, пружины придают шине некоторую свободу движения. Именно это позволяет сохранять сцепление с землей и смягчать удары о дорожное покрытие. Но есть у пружины и один недостаток. Причина в том, что обычные пружины практически не влияют на гашение возникших вибраций. В этом случае, если причины вибрации добавляются одна за другой, шины будут двигаться все сильнее и подвеска со временем может попросту разрушиться. Чтобы эффективно использовать функцию пружины, необходимо куда-то отводить энергию колебаний. Для этой цели используется амортизатор (демпфер, гаситель колебаний).

Силу демпфирования также необходимо выбирать в соответствии с состоянием поверхности трассы. Если сила слишком слабая, шины будут ненормально вибрировать, и машина будет буквально подпрыгивать. Если демпфирующая сила велика, этого не произойдет, но действие пружины будет перекрыто, что приведет к тому же явлению, что и в машине без пружин, упомянутой ранее.

Амортизаторы с регулируемой силой демпфирования не доступны на рынке для FJ. Таким образом, в настоящее время нет другого способа отрегулировать силу демпфирования, кроме как путем изменения угла установки демпфера или использования промежуточного коромысла для изменения соотношения величины перемещения между шиной и амортизатором.

• < Назад
• Вперёд >