Напоследок давайте проедем трассу ADM Raceway по конфигурации Grade4, – именно с точки зрения использования такого приема, как Trail Braking.
Т1. Первый правый поворот после старт-финишной прямой (движение против часовой); выводит на связку «Дорога домой»: Т2 – Т3 – Т4.
Собственно, Т1 – это первый поворот сложной «эски», а потому нам нужна скорость в самом повороте; следовательно, Trail Braking в нем не нужен, а вот скоростной баланс шины – жизненно необходим!
Т2 – Т3 – Т4, «Дорога домой».
Связка сравнительно медленных поворотов. При хорошем зацепе проезжается на 3-й или 2-й передаче (в зависимости от главной пары) на балансирующем газе.
Т5. Быстрый «тягун».
Что такое каждое переключение передач? – Прежде всего, это потеря времени. Поэтому в погоне за быстрыми секундами, если можно дотянуть передачу до поворота ценой «закрута» мотора, то это нужно делать. НО: так я итоге положил (взорвал) мотор.
Т6. Медленный поворот с выходом на быструю разгонную эску. Trail Braking.
Т7 – Т8. Связка быстрых поворотов: 3-я и 4-я передачи; балансирующий газ.
Т9. Самый медленный поворот данной конфигурации. Вторая передача. Trail Braking!
Т10. На новом колесе Yokohama Advan A048, выкатанной дороге и так далее… Словом, на «держаке» он проезжается в пол на 4-й передаче. В моих рабочих записях помечен: «Не сцать!»
Т11. Медленный левый поворот. Вторая передача. Trail Braking!
Т12. Быстрый поворот. Частенько у меня переключение на 4-ю передачу происходит прямо в апексе.
Т13. Это – среднескоростной поворот: третья передача и газ сразу после точки входа (естественно, не сразу полный газ!).
Т14. Это – медленный поворот! Он проезжается на 3-й или 2-й передаче (в зависимости от главной пары) абсолютно классически: Trail Braking и поздний апекс. Очень часто его пытаются ехать как среднескоростной с центральным апексом. Это ошибочный выбор для спорткара Legends 600!
Вот и все.
Т14 выводит нас на старт-финишную прямую, под отсечку, после которой мы уходим на следующий круг – с надеждой, что он будет лучше предыдущего…
Давайте подведем коротенький итог.
Прежде всего, тут не сказано абсолютно ничего нового – этой информации сто лет в обед! Она разбросана по всему тематическому интернету. Вся проблема в том, что в большинстве случаев мы (конечно же, не все и не всегда) даже не пытаемся ее использовать – практически, на треке.
Подлетая к повороту (абсолютно не важно, на какой разновидности гоночного автомобиля), мы лупим по тормозам (или, наоборот, «гладим» педаль тормоза), с остервенением дёргаем изо всех сил рулем. Наконец, с трудом выловив автомобиль, «шлепаем» на выходе из виража по педали газа. Мы в поте лица своего совершаем кучу лишних и грубых движений, справедливо полагая, что делаем все возможное, чтобы не убраться с трека.
А все это есть лишь следствие нашего дискомфорта, наших страхов и сугубой спешки, связанной с неправильным пониманием природы скорости.
Скажите, пожалуйста, разве так можно построить Колесо Жизни?
Часть 2. Начальная геометрия подвески
В рамках данной области изучения, чем больше возможных вариаций, тем более загадочной может стать эта область. Поскольку возможности вариаций, заложенные в геометрии подвески гоночного автомобиля, практически бесконечны, из этого следует, что возникающие в результате загадочность и путаница также должны приближаться к бесконечности – и так оно и есть. Кэрролл Смит был вовсе не уверен, что нам удастся в какой-либо степени уменьшить путаницу, но мы хотя бы попытаемся!
Геометрия любой системы подвески колеса определяет линейные и угловые траектории, по которым будут двигаться колесо и шина при переходе из своего статического состояния, – либо из-за воздействия неровностей дороги на неподрессоренную массу, либо из-за перемещения подрессоренной массы в ответ на трансформацию веса, вызванную ускорениями в различных плоскостях. Форма этих траекторий движения колес будет зависеть от относительной длины и наклона частей подвески, в то время как величина деформаций будет зависеть от абсолютной длины частей, задействованных масс, величины трансформации веса, а также от настроек и расположения пружин подвески и стабилизаторов поперечной устойчивости. В этой главе мы рассмотрим как форму, так и амплитуду траекторий движения колес, но только с геометрической точки зрения. Пружины и стабилизаторы поперечной устойчивости мы оставим для отдельной главы.
Проектирование геометрии подвески состоит в том, чтобы сначала выбрать тип используемой подвески, а затем выбрать расположение точек поворота, абсолютную и относительную длины частей и углов наклона, а также размеры колесной базы и колеи, что приведет к наиболее приемлемому сочетанию расположения центров крена и траекторий движения колес в соответствии с условиями эксплуатации. Это также включает в себя абсолютную уверенность в том, что все задействованные компоненты и точки их крепления обладают достаточной жесткостью и прочностью, чтобы свести к минимуму возможные дефекты и избежать катастрофы.
Исторический экскурс
Ранние гоночные автомобили конструировались с неразрезными осями. Удивительно, но за некоторыми заметными, но не очень удачными исключениями, такая ситуация сохранялась до конца 1920-х – начала 1930-х годов. Очень рано стало очевидно, что неразрезная ось имеет врожденные недостатки, которые накладывают весьма серьезные ограничения на эксплуатационные характеристики автомобиля. Главным из них был тот простой факт, что при наличии пары колес, соединенных одной осью, любая сила, которая действует на одно колесо, обязательно действует и на другое. Это совсем плохо, особенно если дорожное покрытие далеко не идеально. Неразрезная ось, кроме того, очень тяжелая (полностью неподрессоренная) и требует много места, если мы хотим обеспечить разумный вертикальный ход колес. А также вызывает большие точечные нагрузки на шасси и имеет высокий центр крена – вот почему ранние гоночные автомобили не кренились так сильно. Несмотря на то что неразрезной мост конструктивно прост, легко монтируется и выдерживает незначительный наклон, – его трудно уберечь от перекоса при наезде одним колесом на поребрик, например, или при крене подрессоренной массы. С точки зрения передних – рулевых – колес, неразрезной мост вынуждал мельчить детали системы, что приводило к повышенному износу, гироскопической прецессии колес и многим другим проблемам, которые практически исчезли из нашего словаря.
Поскольку проблемы, связанные с неразрезной осью, более заметны в передней части автомобиля, следующим шагом стала независимая передняя подвеска с продольными рычагами. Она была дешевой, простой и, главное, независимой – перемещения одного колеса не передавались на другое. Такая схема подвески поддерживала постоянный угол развала колес при вертикальном перемещении и сохраняла неизменной колею. Но были и серьезные недостатки: развал колес оставался равен крену шасси (в неправильном направлении), а удельные нагрузки в зонах шкворней и в шарнирных соединениях были очень высоки, что вело к преждевременному износу шарниров и деформации соединений, если они не были монументально прочными. Также трудно было избежать деформации в вертикальной плоскости – опять же, за исключением использования массивных компонентов. Однако ничего и никого реально не смущало ровно до того момента, пока на сцене не появилась широкопрофильная шина. В этот момент даже Porsche, который десятилетиями придерживался подвески на продольных рычагах, в спешке избавился от нее.
Что касается кормы, то, когда инженеры исчерпали возможности совершенствования неразрезной оси, – а у них действительно было несколько очень хитроумных систем ее размещения, – первым шагом стала подвеска De Dion, которая была удивительно хороша! На практике составляющие зависимой подвески имеют огромнейший вес, что напрямую влияет на утяжеление неподрессоренного веса, который не позволяет испытывать комфорт во время езды. Созданная в те времена, подвеска De Dion помогала убрать дополнительный неподрессоренный вес и переместить его на кузов транспортного средства. Устройство, позволяющее крутиться колёсам, соединили с кузовом, редуктор, в свою очередь, функционировал посредством пары полуосей и шарниров. Внедрённая De Dion подвеска помогла сохранить зависимость колёсной базы и одновременно минимизировала неподрессоренный вес. В дополнение к подвешиванию главной передачи на подрессоренной массе, это позволило подвесить на ней же и тормоза, и установленную сзади коробку передач. Из-за особенностей «качающейся» оси De Dion продержался на рынке вплоть до конца 1970-х годов.
Поворотная ось стала первым серьезным шагом в конструировании независимой задней подвески. Она появилась вместе с автомобилем Auto Union Grand Prix, разработанным доктором Порше в середине 1930-х годов. За всю историю было только три человека, которые могли управлять этими устрашающими машинами: Бернд Роземайер, Тацио Нуволари и Ханс Штук. Их неустойчивость и устрашающее виляние хвостом на четверть века отпугнули гонщиков от независимой задней подвески и среднемоторных гоночных автомобилей. На самом деле они, возможно, были самыми совершенными спорткарами, которые когда-либо видели свет: это были первые автомобили со среднемоторной компоновкой; у них были первые дифференциалы повышенного трения; топливные баки были в центре масс. Они отличалась множеством других инноваций, все из которых работали, – за исключением поворотной оси. Оглядываясь назад, с точки зрения почти столетнего опыта, накопленного человечеством, – весьма вероятно, что "вывешивание" поворотной оси и изменение развала были единственными серьезными проблемами, с которыми столкнулся Auto Union. Как бы то ни было, поворотная ось получила новую жизнь, когда Уленхаут из Mercedes разработал конструкцию с низкой осью поворота для послевоенных Гран-при. Однако даже упертые в идею инженеры Porsche отказались от нее в конце 1960-х годов.
Подвеска на поперечных рычагах начала победоносное шествие с передней части автомобиля – и была довольно примитивной. Поперечные рычаги были узкими, равными по длине, параллельными друг другу и земле на уровне дорожного просвета, а также очень короткими. Они должны были быть короткими, чтобы добиться хоть какой-то жесткости при их тонких размерах – даже несмотря на то, что они были кованными. Ранние системы оставляли желать много лучшего с точки зрения геометрии. И отсутствие изменения развала при вертикальном перемещении колеса с лихвой компенсировалось резким развалом при крене (опять же в неправильном направлении) и устрашающим изменением колеи, вызванным короткими рычагами. Развитие было скачкообразным. Во всяком случае, оно продолжалось; с течением времени, нижний поперечный рычаг стал длиннее верхнего, что привело к отрицательному развалу при наезде на препятствие, при этом положительный развал загруженного или подвешенного колеса при крене был значительно уменьшен, и ситуация начала улучшаться. В конце 1950-х годов англичане во главе с господами Чепменом и Бродли (Чепмена обычно считают отцом современного гоночного автомобиля, но первая сложная четырехрычажная подвеска, которую засвидетельствовал Кэрролл Смит, была на оригинальном спортивном гоночном автомобиле Бродли – Lola объемом 1100 куб.см) взялись за дело серьезно, и началась нынешняя эра. Первый серьезный шаг был сделан, когда Джон и Чарльз Купер разместили двигатель между водителем и ведущим мостом с коробкой передач. Следующие шаги потребовали очень серьезных размышлений о расположении колес, изменении развала, распределении нагрузки и соотношении центров крена. Очень быстро появилась нынешняя повсеместная система разноразмерных и асимметричных трубчатых соединений – и поперечные рычаги зашагали широкой поступью! Примерно с 1962 года система стала практически универсальной и, – хотя у каждого сегодня есть свои представления о наиболее эффективных компромиссных настойках; и несмотря на то что разные типы трасс и шин требуют разной геометрии, – по сути, именно с тех пор система приобрела окончательную форму.
Разновидности подвески
Неразрезной мост
Цельная ось (цельный задний мост), вероятно, была изобретена ассирийцами. В настоящее время его можно найти только в задней части тех легковых автомобилей, дизайнеры которых по какой-либо причине решили не тратить деньги, необходимые для постройки независимой задней подвески. Это архаичное и сильно оклеветанное устройство. Оно прекрасно работает – по крайней мере, на автомобилях, предназначенных для движения по автострадам, – при очень низких затратах. Если вы участвуете в гонках на автомобиле с неразрезным мостом, у вас будет серьезный недостаток. НО: только тогда, когда у всех остальных его нет!
Поворотная ось
Поворотная ось – простой тип независимой подвески, разработанный и запатентованный Эдмундом Румплером в 1903 году. Это было революционное изобретение в автомобильной промышленности, позволяющее колесам независимо реагировать на неровности дорожного покрытия и позволяющее автомобилю прочно держаться на дороге.
Поворотная ось – это выкидыш! Ее не следовало изобретать; сегодня о ее использовании не подумал бы ни один автомобильный инженер, не говоря уже о конструкторе гоночных автомобилей. Она представляет интерес только для тех фанатиков, вовлеченных в Формулу Vee, где его использование является обязательным.
Отметим, что болиды Формула Vee основывались на культовом в те времена Volkswagen Beetle. В шестидесятых годах Формула Vee серьезно конкурировала с Формулой Форд, которая, в свою очередь, выпустила в свет львиную долю именитых пилотов (включая и Айртона Сенну). Формулу Vee же в свое время прошли и Эмерсон Фитипальди, и Ники Лауда, и Кеке Росберг. Как и у серии Legends 600, у Формулы Vee до сих пор есть много последователей.
По причинам, которые полностью ускользают от сознания, поворотная ось также присутствует на большинстве внедорожных гоночных автомобилей. К ее недостаткам относятся: очень высокий центр крена, экстремальное «домкратирование», устрашающее изменение развала и почти полное отсутствие регулировок. У поворотной оси нет никаких преимуществ, кроме наличия в готовом виде на свалке. Организаторы Formula Vee разработали свою собственную технологию, направленную на то, чтобы извлечь максимум пользы из очень плохой вещи, и на этом мы закончим ее обсуждение.
Подвеска De Dion
Ось De Dion, по сути, представляет собой балочную ось, расположенную таким образом, что главная передача является частью подрессоренной массы. Это ее единственное реальное преимущество перед неразрезным мостом. В настоящее время она не используется на гоночных автомобилях и не использовалась в течение двадцати лет. Смит чувствует себя в безопасности, предполагая, что она не вернется. Поэтому мы не будем это обсуждать.
Я лишь чуток поспорю со Смитом: Феррари использовали заднюю ось De Dion в 1975-м, и Лауда много чего на ней выиграл. Вообще, Кэрролл Смит иногда слишком категоричен.
Передняя подвеска с подвижной стойкой
Форма независимой передней подвески для легких автомобилей. Ось-заглушка и колесный узел прикреплены к вертикальной стойке (или шкворню), которая скользит вверх и вниз по втулке или втулкам, прикрепленным к шасси транспортного средства, обычно как часть поперечных выносных опор, иногда напоминающих традиционную балочную ось, хотя и жестко закрепленную на шасси. Движение рулевого управления обеспечивается за счет того, что эта же скользящая стойка может вращаться.
Если у вас есть Morgan, вы ничего не можете сделать для улучшения передней подвески, кроме установки амортизаторов Koni и постоянной замены опорных втулок. Если у вас нет Morgan, нет причин, по которым вам следует знать о существовании этой системы.
Передняя подвеска на продольных рычагах
Передняя подвеска на продольных рычагах состоит из минимального количества деталей – все они расположены таким образом, что для того, чтобы выдерживать соответствующие нагрузки, должны быть по-настоящему массивными. Траектории движения колес просто отвратительные. Это подходящий компаньон для задней подвески с поворотной осью, и именно там его можно найти – на старых Porsche Formula Vee и некоторых авто для бездорожья. Без обсуждения.
Стойка Макферсон
Стойка Макферсона в настоящее время используется, с некоторыми вариациями, в передней части большинства небольших легковых автомобилей, а также большого количества спортивных автомобилей и автомобилей класса GT. Поэтому она очень распространена в гоночных автомобилях Touring и Grand Touring. Популярность обусловлена тем, что она очень дешева в производстве и обеспечивает удовлетворительный контроль развала… Но все же, увы, контроль развала иной раз не так уж хорош. Трудно обеспечить достаточную жесткость элементов подвески, чтобы избежать деформации, особенно при использовании гоночных шин; и практически невозможно спрятать стойку внутри широкого колеса, так что проблема с пилотажем вашего серийного болида станут чрезмерными, когда вы рискнете использовать широкие колеса. Если низкая лобовая площадь (лобовое сопротивление) является основным требованием, то необходимая высота стойки сама по себе исключает использование Макферсон.
Много лет назад Колин Чепмен – хитрый дьявол – применил принцип стойки Макферсона в задней части ранних гоночных автомобилей Lotus и к дорожному Lotus Elite. Это прекрасно сочеталось с шинами, доступными тогда, однако сегодня врядли подошло бы для гоночных автомобилях (учитывая, опять же, размеры современного слика).
Кэрролл Смит не видел причин, по которым, после замены мягких втулок и модификации стойки для снижения высоты дорожного просвета и регулировки развала, они не смогли бы работать нормально. Рем.комплекты позволяют опустить нос автомобиля, не уменьшая хода подвески, и в итоге вы получаете регулируемый развал, кастор и дорожный просвет.
Многорычажная подвеска
Любая система подвески автомобиля, которая позволяет каждому колесу на одной оси перемещаться вертикально независимо от других. Это главное отличие от неразрезного моста или системы осей De Dion, в которой колеса соединены. "Именно к этому привело нас восьмидесятилетнее развитие автоспорта." – подытоживает Смит. В течение последних пятнадцати лет сзади и намного дольше в передней части, практически каждый серьезный гоночный автомобиль использовал ту или иную форму многорычажной независимой подвески. Мы посвятим остальную часть главы этой системе.
Подвеска как система
Давайте посмотрим, чего мы хотим добиться от системы подвески. Прежде всего, мы должны обеспечить независимость всех четырех колес, чтобы, насколько это возможно, деформации были ограничены колесом и шиной, которые испытывают те или иные нагрузки. Мы в этом уверены, и в разумных пределах любая независимая система предоставит нам эту возможность. Во-вторых, хотя мы должны обеспечить достаточное вертикальное перемещение колес, чтобы они могли поглощать неровности дорожного покрытия и вертикальные ускорения подрессоренной массы, – мы хотим, чтобы во время движения колес не происходило изменения схождения – или, по крайней мере, бесконтрольного изменения схождения. В-третьих, мы не хотим податливости (излишней мягкости) системы подвески или ее крепления к подрессоренной массе. Это вопрос жесткости (скорее, чем прочности) соединений, шарниров, осей, опор ступиц и точек крепления. В той же мере это вопрос направления, в котором нагрузки трансформируются на шасси, а затем распределяются. Многорычажка превосходно подходит для достижения этой цели – в большей степени, чем любая другая система! Конечно, требуется внимание к деталям проектирования, и многие дизайнеры не обременены терпением, – однако сама система в этом ничуть не виновата. Все рычаги можно расположить таким образом, чтобы они работали на растяжение или сжатие (без изгибающих моментов). Сама жесткость рычага – это всего лишь вопрос расчета нагрузок на сжатие. Правильная итоговая трансформация веса по шасси потребует немного больше размышлений, но и это не так уж сложно.
Далее нам требуется минимальный вес – и снова система идеально сконфигурирована для достижения результата! Более того, широкое основание (поле возможностей), по которому мы можем трансформировать вес в шасси, устраняет необходимость в массивной и тяжелой навесной конструкции. Это очень просто.
Далее мы хотим контролировать изменение угла развала колес и изменение колеи при перемещениях колеса и/или подрессоренной массы. Для достижения максимальной площади пятна контакта и равномерного распределения давления в шине (чтобы мы могли реализовать максимальное сцепное усилие шины при торможении и ускорении), мы хотим, чтобы колесо оставалось в вертикальном положении, когда подвеска подвергается вертикальному перемещению подрессоренной массы, вызванному продольной передачей нагрузки (то есть: мы хотим на торможении и при ускорении контролировать развал и схождение с максимальным пятном контакта). Мы также хотим, чтобы оно оставалось вертикальным, когда перемещается из-за наезда (например, на поребрик) или провисает – хотя это более временное состояние и менее важно в общей схеме. В то же время и по тем же причинам мы хотим, чтобы как внутренние, так и наружные колеса оставались вертикальными по отношению к поверхности трека, когда подрессоренная масса кренится под действием центробежного ускорения. Мы не хотим, чтобы размер пятна контакта изменялся ни при одном из этих условий, поскольку это привело бы к боковому скольжению шины по гоночной трассе, когда она уже достигла предела сцепления или близка к нему, и разрушило бы тяговые свойства колеса. Пока все это происходит, было бы неплохо, если бы центры крена на каждом конце автомобиля оставались на постоянном расстоянии от их соответствующих центров масс, чтобы мы могли сохранить нашу линейную характеристику образования крена и боковой трансформации веса.
Звучит достаточно просто, однако этого невозможно достичь. Хотя у нас есть бесконечные варианты перестановок с комбинациями длин и наклонов тяг (рычагов), ни одна из них, увы, не позволит реализовать нашу идею фикс.
Природа движения колеса
Что же на самом деле происходит с колесами или шасси в движении? Существует два типа трансформации: вертикальное перемещение колес или шасси – и колебание шасси по крену. Сначала мы рассмотрим вертикальное перемещение. С геометрической точки зрения не имеет значения, «гуляет» ли колесо из-за неровности или ямы на дороге; «колеблется» ли шасси в ответ на трансформацию веса или в результате изменения аэродинамической прижимной силы. Если колесо перемещается, оно захватывает с собой внешние поворотные точки тяг подвески, что заставляет тяги описывать дуги вокруг своих внутренних точек поворота. Затем колесо должно изменить свой угол – как относительно дорожного полотна, так и относительно шасси, – в зависимости от этих дуг. Если же перемещается шасси, то внутренние точки поворота следуют за ним, и происходит то же самое, только со знаком наоборот. Геометрические результаты будут такими же. Поскольку движение шасси в ответ на трансформацию веса представляет для нас больший интерес, чем временные колебания колес в силу неровностей дороги, в дальнейших рассуждениях этот случай будет в приоритете. Давайте представим себе влияние неровностей и провисания на развал колеса, длину пружины, длину привода и расположение центра крена. Здесь нет для нас ничего удивительного, за исключением того факта, что изменение колеи из-за угла развала в центре пятна контакта не равно изменению длины полуоси. Однако, когда кренится подрессоренная масса, вся картина изменяется. В этом случае внутренние точки поворота тяг подвески перемещаются вместе с шасси, которое должно крениться вокруг мгновенного центра крена подвески. Это означает, что на стороне, куда трансформируется вес (внешней стороне от центра поворота) шасси, – как верхняя, так и нижняя точки поворота рычагов подвески будут смещаться вниз и наружу от осевой линии шасси. Однако точка поворота верхнего рычага, находящаяся на большем радиусе от центра крена, будет смещаться дальше, чем нижняя. Поскольку рычаги подвески имеют фиксированную длину, эта разница в перемещении точки поворота верхнего рычага заставит нагруженное колесо принять положительный угол развала (наружу в верхней части) относительно поверхности гоночной трассы. Все в точности до наоборот на внутренней, или разгруженной, стороне: там колесо будет стремиться к отрицательному углу развала. Это не то, о чем говорится в большинстве книг, по той простой причине, что в большинстве книг развал колес соотносится с шасси. Увы, но никто не поведал шине о какой-либо взаимозависимости от развала, которая существует между шиной и дорожным покрытием. Мы б тогда могли меньше заботиться об угловом соотношении между колесом и шасси.
Следующий шок – это то, что происходит с расположением центра крена. Когда шасси кренится – центр перемещается, и не только вниз, но и вбок. Опять же, в большинстве книг говорится, что центр крена и, следовательно, ось крена остается на осевой линии автомобиля. Этого не происходит – только не тогда, когда автомобиль кренится! Центр крена автомобиля в условиях крена – это пересечение линии, проведенной между мгновенным центром нагруженного колеса и центром пятна его контакта, с аналогичной линией, проведенной между мгновенным центром и пятном контакта разгруженного колеса. Очень маловероятно, что по ходу поворота это пересечение когда-либо будет расположено на центральной линии шасси. Не трудно представить себе быстрый автомобиль в медленном повороте, чтобы осознать эффект сочетания крена шасси и движения со стороны колеса ("бампинг") – условий, которые существуют в передней части автомобиля на входе в поворот, а в кормовой – при выходе из виража.
Основные схемы подвески
Хотя существует бесконечное количество возможных комбинаций длин и наклонов рычагов подвески, мы можем разбить их на три основные схемы: равные по длине и параллельные рычаги, неравные по длине и параллельные рычаги и неравные по длине, непараллельные рычаги. Мы кратко рассмотрим характеристики каждой из них.
Равные по длине и параллельные рычаги
Самое простое – это система параллельных и коротких рычагов одинаковой длины. Поскольку рычаги образуют параллелограмм, при вертикальном перемещении развал меняться не будет. Однако наблюдается значительное изменение ширины колеи, что не очень-то хорошо. Когда шасси кренится, колесо изменяет угол развала точно на величину крена шасси – при этом внешнее колесо получает положительный развал. Это нехорошо ни при каких условиях, и чем шире используемая шина, тем хуже! Поскольку рычаги остаются параллельными при любых условиях, местоположение мгновенного центра – пересечение продолжения осей рычагов – устремляется в бесконечность от осевой линии шасси. Мы предполагаем, что центр крена находится на уровне земли и в значительной степени там и остается.
Мы можем уменьшить величину изменения колеи при заданном количестве вертикальных перемещений простым способом – удлинив рычаги подвески. При таком изменении заданная величина вертикального перемещения колеса или шасси приводит к меньшему угловому смещению колеса и, следовательно, к меньшему изменению размера колеи. Увы, геометрия рычагов остается параллелограммной, а ситуация с развалом по крену, в основном, прежняя, хотя величина изменения развала немного уменьшена, поскольку внутренние точки осей поворота расположены ближе к осевой линии автомобиля и, следовательно, смещаются меньше при заданном значении крена. Кроме того, хотя мы можем сколько-то уменьшить изменение колеи за счет удлинения рычагов, мы не сможем не только устранить его, но даже уменьшить до приемлемых пределов – и, естественно, у нас нет места для бесконечно длинных рычагов!
Неравные и параллельные рычаги
Если мы сделаем верхний рычаг относительно короче нижнего, мы добьемся некоторых существенных изменений в траектории движения колес. Теперь, при вертикальном перемещении, верхний рычаг имеет меньший радиус, чем нижний; это приводит к тому, что колесо принимает отрицательный угол развала как при наезде (например, на поребрик), так и отрицательный либо положительный развал при провисании. Величина изменения развала зависит от относительной длины верхнего и нижнего рычагов – чем короче верхний рычаг, тем круче кривая изменения развала. Допущение отрицательного развала значительно уменьшает изменение размера колеи, и при должной аккуратности в настройке оно может стать незначительным. При крене подрессоренной массы колеса по-прежнему «разваливаются» в том же направлении; однако положительный развал, который принимает на себя нагруженное колесо, значительно уменьшается. К сожалению, отрицательный развал разгруженного (внутреннего) колеса увеличивается. Все ровно так же, как на спортпрототипе Legends 600.
Несмотря на то что рычаги параллельны друг другу на уровне дорожного просвета, тот факт, что они неодинаковы по длине, означает, что они не будут оставаться параллельными при вертикальном движении колеса (они почти остаются параллельными при крене), поэтому длина повернутого рычага в моменте варьируется. Это означает, что при большой вертикальной амплитуде колеса, углы развала станут действительно очень большими. Если требуется большой вертикальный ход колеса – как в гонках по бездорожью –необходимо сделать рычаги максимально равными по длине. В любом случае, центр крена с неравными, но параллельными рычагами остается довольно стабильным по отношению к центру масс. Следовательно, момент крена остается более или менее постоянным, что хорошо. Естественно, нет закона, который гласил бы, что параллельные рычаги разной длины должны быть параллельны земле на уровне дорожного просвета, но небольшой эксперимент с любой моделью объяснит, почему они обычно параллельны земле на этом уровне. Где-то здесь Смит упоминает, что статический дорожный просвет вполне может отличаться от динамического, если для создания прижимной силы в значительных количествах используются крылья или эффективные спойлеры. Далее: динамический дорожный просвет будет меняться в зависимости от скорости движения. Еще одно небольшое усложнение, которое сегодня нам, на самом деле, не очень-то нужно.
Неравные и непараллельные рычаги
В то время как система подвески с неравными и параллельными рычагами уменьшает положительный развал нагруженного колеса при крене, она, однако, не уменьшает его в достаточной степени для определенного типоразмера шин – и, кроме того, эта система ведет к действительно низкому центру крена. Наклоняя рычаги (и продолжая, «лонгируя») их оси относительно друг друга, мы можем расположить центры крена там, где нам заблагорассудится, – по крайней мере, в статическом положении, – и еще больше уменьшить положительный развал нагруженного колеса при крене. Естественно, абсолютизируя процесс можно дойти до экстремальных результатов, однако именно так понятно, что может произойти, когда мы заходим слишком далеко в любом заданном направлении настроек.
Возьмите листок бумаги, ручку и линейку – и попробуйте поэкспериментировать. В предельном случае наклон верхнего рычага вниз по направлению к центральной линии болида действительно заметно уменьшает положительный развал нагруженного колеса при крене шасси. Но это также повлияло на все остальное! Произошло то, что слишком крутой наклон верхнего рычага приводит к очень короткому плечу в моменте с сопутствующим очень большим углом развала при перемещении колеса со стороны дороги (пусть это будет, к примеру, наезд на высокий поребрик). Подняв кузовные точки крепления как верхнего, так и нижнего рычагов, мы добились бы гораздо лучших углов развала при сохранении статичного центра крена в том же положении – однако, конечно, тогда в динамике центр крена перемещался бы больше. Как мы уже подметили, игра в «идеальную геометрию» может продолжаться вечно…
Важные истины и компромиссный баланс
После того как мы вдоволь прошлись по всем основным схемам, некоторые важные истины становятся очевидны:
1. Хотя можно контролировать развал колеса как при вертикальном перемещении, так и при крене шасси, добиться очень хорошего контроля развала в комбинированных («бампинг» + крен) условиях невозможно, – мы всегда в положении "или-или".
2. Чем длиннее мы делаем рычаги подвески, тем меньшее угловое и линейное смещение колес произойдет в результате заданного количества перемещений шасси или колес.
3. При вертикальном перемещении центр крена трансформируется вместе с центром масс, стремясь сохранить постоянный момент крена.
4. Увеличение эффективной длины рычага уменьшает величину изменения развала из-за вертикального перемещения колеса, уменьшает величину вертикального перемещения центра крена относительно центра масс и увеличивает боковое перемещение центра крена.
5. Несмотря на то что тяги параллельны друг другу на уровне дорожного просвета, тот факт, что они неодинаковы по длине, означает, что они не будут оставаться параллельными при вертикальном движении колеса (они почти остаются параллельными при крене), поэтому длина повернутой тяги в моменте варьируется. Естественно, пункт не касается параллельных тяг, равных по длине!
6. Увеличение наклона верхнего рычага (или уменьшение его относительной длины) приводит к большему отрицательному развалу при "бампинге" (= реакции колеса на дорожные изменения), меньшему положительному развалу нагруженного колеса при крене и уменьшению количества вертикальных перемещений колеса или шасси до того, как мы потеряем контроль над развалом.
Учитывая тот факт, что идеальное решение в нашей популярной геометрии – это утопия, приходится искать компромиссный баланс. У каждого в этом бизнесе есть свои собственные представления о том, какие аспекты колесной колеи и положения центра крена являются более важными, и поэтому мы очень часто наблюдаем в одном и том же классе гоночных автомобилей множество геометрических вариаций. Несмотря на эти различия, большинство гоночных автомобилей исправно выполняют свою работу. Это связано с тремя факторами:
1. Нынешнее поколение гоночных шин относительно нечувствительно, в разумных пределах, к изменению развала.
2. Характеристики трансформации веса куда более важны для качественной работы шин и в целом баланса автомобиля, чем кривые развала.
3. Различные философии дизайна, как правило, выравнивают время прохождения круга – автомобиль, геометрия которого ограничивает его абсолютный коэффициент сопротивления шины боковому уводу (отношение боковой реакции, обусловленной уводом, к углу увода), вполне может снизить мощность – то, что он проигрывает в повороте, компенсируется на прямиках… И это снова о балансе.
Существует несколько основных рекомендаций, которые помогут нам в выборе геометрического компромиссного баланса.
1. Развал переднего колеса должен удерживать упорное (нагруженное) колесо в более вертикальном положении при крене, чем заднее. Когда автомобиль поворачивает (или наклоняется; ныряет) в поворот, комбинация трансформации веса будет сильно сжимать переднюю пружину упорного (нагруженного) колеса, и нам понадобится вся возможная компенсация развала, чтобы не потерять передок. Еще один фактор заключается в том, что, поскольку основная часть общей трансформации веса автомобиля будет приходиться на переднюю часть, задняя часть в любом случае будет меньше крениться.
2. Центр крена спереди всегда будет ниже, чем сзади. Если он будет слишком низким, у нас будет машина, которая плохо входит в повороты и выходит из них на трех колесах (карт). Большая хитрость здесь заключается в том, чтобы движения центра крена спереди и сзади были примерно равны друг другу – и в одном направлении, – поскольку автомобиль подвержен целому комплексу сил при прохождении поворота.
3. Мы можем контролировать развал колес в узком диапазоне крена шасси и в более широком диапазоне вертикального перемещения. В какой-то момент крена или вертикального перемещения геометрия полетит к черту, и траектории движения колес начнут очень быстро меняться (срыв). Чем длиннее мы делаем рычаги подвески, тем большей может быть трансформация до того, как мы потеряем контроль над развалом – и тем меньше смещений колес на единицу перемещения шасси. И снова мы говорим о балансе.
Давайте исходить из того, что баланс автомобиля (или управляемость) более важны с точки зрения времени прохождения круга и победы в гонках, чем абсолютный коэффициент сопротивления шины боковому уводу (отношение боковой реакции, обусловленной уводом, к углу самого увода). Если бы мы были гоночными шинами, мы бы возмущались любому стремлению рычагов подвески резко менять развал и внезапно протаскивать нас вдоль гоночной трассы, – в тот момент, когда мы пытаемся плавно, быстро и перекрестно сменить режим работы с торможения на вход в поворот и, затем, на выход с ускорением – в своих стремлениях следовать по краю круга зацепа = Колеса Жизни. Мы бы отреагировали на такие попытки мгновенной потерей зацепа! Мы б сделали то же самое, если бы боковая трансформация веса на одном крае автомобиля внезапно стала намного больше, чем на другом, потому что момент крена на этом крае внезапно увеличился. Мы бы снова зацепились за дорогу после того, как все уляжется – если это вообще уляжется! – но мы б на мгновение потеряли сцепление с дорогой из-за потери Баланса… Маловероятно, что пилоту бы понравились наши выходки, если б мы были колесами его болида.
Мы должны проектировать геометрию подвески таким образом, чтобы свести к минимуму резкое изменение развала и относительное перемещение центра крена спереди назад при переходе автомобиля от торможения к ускорению в повороте.
Возможности геометрии здесь ограничены, поэтому мы сочтем необходимым уменьшить величину трансформации веса шасси, которое происходит в ответ на центробежное и продольное ускорение. Однако обычно мы не можем ограничить вертикальное движение колес, не столкнувшись с ухудшением работы (упругости) шин, что неизбежно приведет к серьезным побочным эффектам, таким как ухудшение времени прохождения круга.
В нашем распоряжении есть четыре метода ограничения крена шасси – или, по крайней мере, уменьшения его последствий:
1. Мы можем повысить центр крена, что понизит его момент. Однако в таком случае мы получим малые кривые развала и сильное «домкратирование».
2. Мы можем использовать стабилизаторы поперечной устойчивости спереди и сзади, достаточно жесткие, чтобы ограничить крен до желаемого нами максимума.
3. Мы можем использовать пружины подвески для ограничения крена, сделав их более жесткими, – или разместить их таким образом, чтобы получить максимальный линейный ход пружины на каждый градус создаваемого крена. Пожалуй, не самая хорошая идея, но единственно возможная для серии Legends 600, – в силу конструктивного отсутствия стабилизаторов поперечной устойчивости.
4. Мы можем использовать более длинные рычаги подвески, чтобы уменьшить величину изменения развала, возникающего при каждом градусе крена.
Размеры колеи и колесной базы
Последние геометрические данные, которые мы рассмотрим, – это длина колесной базы и ширина колеи.
Преимуществами относительно длинной колесной базы являются устойчивость на прямой, меньшая трансформация продольной нагрузки и раскачивающего момента, уменьшение полярного момента инерции; ну и больше места внутри авто. Скажем, «Шорткат».
