Кольцевой Автоспорт: страсти по Балансу

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».