Гонки

Сначала нужно понять, что любая сила, действующая на автомобиль, передается только через его четыре шины. На сцепление шин с покрытием гоночной трассы влияют только три фактора. Первый — это коэффициент сцепления шины с покрытием, который определяется состоянием последнего, а также конструкцией, составом и температурой шины. Второй — это пятно контакта шины с покрытием, а третий — это вертикальное давление на шину, то есть вес машины и прижимающая сила аэродинамических приспособлений. Достигнув своего максимального сцепления, шины начинают скользить, и порой кажется: они это делают так внезапно, что потеря управления неминуема. Это не так. Между границей сцепления и скольжением есть еще стадия проскальзывания или увода. Именно в ней-то и кроется секрет быстрых секунд. Дело в том, что в силу эластичности резины, из которой сделана шина, достичь предела по сцеплению невозможно без ее проскальзывания. При увеличении скорости в повороте наступает такой момент, когда направление, куда смотрит шина, несколько отличается от того, куда в действительности сориентирован обод колеса. Угол между направлением качения шины и плоскостью вращения колеса называется углом увода и измеряется в градусах.

...

И здесь настало время возразить самому себе. Можно легко представить ситуацию, когда, наоборот, лучше ехать в верхнем диапазоне оптимального угла увода (9-10 градусов). Например, если внезапное снижение температуры воздуха не дает шинам как следует прогреться, или их состав оказался жестче, чем нужно, и они не достигают оптимальной температуры прогрева. Гонщик высшего класса чувствует мельчайшие нюансы и может легко приспосабливать стиль вождения к конкретным условиям.

Внутренние шины при этом разгружаются, и их сцепление падает до 3 единиц. Теперь автомобиль имеет в общей сложности 15+15+3+3=36 единиц сцепления — то есть меньше, чем было до начала перераспределения веса. Дело в том, что вертикальная нагрузка и сцепление связаны нелинейной зависимостью. Сцепление шины растет медленнее, чем увеличивается нагрузка на нее, и, наоборот, при уменьшении нагрузки сцепление снижается быстрее. Отсюда главный вывод: чем интенсивнее перераспределяется вес, тем меньше сцепление шин с дорогой.

Предположим, что ваш гоночный автомобиль имеет статическое распределение веса как 60 спереди и 40 сзади, и он настроен на избыточную поворачиваемость. Часто это делается умышленно, чтобы автомобиль охотнее заходил в крутые повороты. Но в пологом повороте на высокой скорости такая настройка будет неоптимальна: автомобиль станет "нервным", склонным к заносу. И вот здесь для того, чтобы изменить характер поворачиваемости в сторону нейтральной, достаточно добавить газ. Это вызовет перераспределение веса в новой пропорции — допустим, 55 спереди и 45 сзади. На большой скорости в повороте автомобиль будет лучше сбалансирован, и это будет динамический баланс.

https://pikabu.ru/story/kren_tangazh_i_pereraspredelenie_vesa_v_avtomobile_2391175

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.

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.

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.

Так как повороты нельзя пройти на максимальной скорости, поэтому скорость прохождения поворотов и характеристика разгона гораздо более важны.

Факторы, влияющие на максимальную скорость:
- мощность на ведущих колёсах;
- аэродинамическое сопротивление;
- сопротивление качения.

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.

Автомобиль находится в постоянном контакте с землёй и одновременно испытывает сопротивление воздуха с постоянно меняющимися углами и скоростью.

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».

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.

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

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

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.

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.

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.

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.

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.

сейчас пятно контакта гораздо больше вширь, чем в длину.

Однако, есть ещё одна причина. Большие углы увода приводят к большему нагреву шин, чем малые.

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.

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.

пара неравномерно нагруженных колёс не сможет обеспечить такую же боковую силу, как пара равномерно нагруженных.

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.

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. ... Степень деформации боковин при компенсации наклона колеса у современной гоночной шины просто потрясающая.

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.

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.

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.

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. Е

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.

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.

Обычно я накачиваю колёса несколько больше, чем требуется, и спускаю их по мере нагрева резины.

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 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».

Необходимо делать края протектора максимально скруглёнными, иначе эти сильно нагруженные участки будут перегреваться и пузыриться.

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.