Настройка подвески

И для тюнингованного автомобиля, и для гоночного болида при достаточно гладкой поверхности дороги важно уменьшить любые движения корпуса, которые могли бы нарушить баланс автомобиля, поскольку любые отклонения от статического равновесия вызывают изменение положения колес и аэродинамического баланса. Например, крен влияет на развал колес и, возможно, также приводит к изменению их схождения, в то время как подъем передка при разгоне будет значительно нарушать распределение подъемной или прижимной силы между передней и задней осями автомобиля. Общее правило гласит, что на мокрой дороге должны использоваться мягкая подвеска и амортизаторы, поскольку уменьшенное сцепление снижает возможные поперечные и продольные силы (центробежные, ведущие и тормозные), действию которых подвергается автомобиль. Более мягкие подвеска и амортизаторы позволяют поддерживать более стабильный контакт между покрышками и дорогой и, следовательно, обеспечивают более стабильное сцепление.

Для настройки автомобиля в соответствии с требованиями водителя необходимо понимать следующие механизмы.

Поперечная жесткость

Вследствие сопротивления пружин и того обстоятельства, что, как правило, центр тяжести подрессоренных масс лежит выше оси крена (воображаемая линия между передним и задним центром крена), любая боковая сила, приложенная к автомобилю, будет вызывать крен. В этом случае мы рассмотрим только ситуацию автомобиля в повороте, подверженного действию центробежной силы. Мы также примем, что поперечная жесткость спереди и сзади одинакова, и углы увода, вызываемые центробежными силами, также равны спереди и сзади, в результате чего поворачиваемость автомобиля нейтральна.

Теперь предположим, что мы заменили задние пружины жесткими блоками. В этом случае крена не будет вообще, а передние пружины останутся в покое, потому что все перераспределение веса, созданное вызывающим крен крутящим моментом центробежной силы, будет принято задней осью. Как следствие, угол увода задней оси значительно увеличится, в то время как увод передней оси останется без изменения. В результате автомобиль получит сильную избыточную поворачиваемость. Отсюда следует, что любое увеличение креновой жесткости задней подвески за счет усиления пружин, подъема центра крена или использования стабилизатора поперечной устойчивости приведет к увеличению избыточной поворачиваемости (или к уменьшению недостаточной), в то время как увеличение жесткости передней подвески усилит недостаточную поворачиваемость (или понизит избыточную).

Однако следует помнить, что в отсутствии дифференциала повышенного трения увеличение жесткости стабилизатора поперечной устойчивости на ведущей оси вредно сказывается на тяге в повороте, поскольку при крене автомобиля стабилизатор поперечной устойчивости стремится оторвать внутреннее колесо от поверхности дороги.

Жесткость амортизаторов не оказывает никакого влияния на максимальные углы крена, но влияет на поведение автомобиля при переходных процессах, на входе в поворот, поскольку он увеличивает сопротивление крену до тех пор, пока максимальный угол крена не будет достигнут. Следовательно, жесткие задние амортизаторы кратковременно увеличивают жесткость задней подвески, в результате чего увеличивается начальная избыточная поворачиваемость (или уменьшается начальная недостаточная поворачиваемость) и ускоряется вход в поворот, в то время как жесткие передние амортизаторы кратковременно увеличивают недостаточную поворачиваемость и ослабляют ответную реакцию автомобиля.

Развал колес

Мы видели, что увеличенный положительный развал приводит к увеличению углов увода и что до определенного предела отрицательный развал уменьшает углы увода. Это дает еще один способ настройки поворачиваемости, хотя, как правило, положительный развал также вызывает раннее нарушение сцепления и снижает максимально возможную скорость при прохождении поворота.

На современных гладких и широких гоночных покрышках допустимые пределы регулировки развала очень малы, поскольку любое отклонение от нулевого угла развала вызывает неравномерное распределение нагрузки по ширине покрышки, что может привести к перегреву перегруженной ее части с разрушением рабочей поверхности шины. В этом случае, наилучшие результаты получаются при установке развала, а также регулировке давления в шине таким образом, что после нескольких кругов гонки температура шины приблизительно одинакова по всей ее ширине. Обычно три измерения проводятся с помощью специального индикатора (пирометра): одно на внешней стороне рабочей поверхности шины, другое в ее середине и третье на внутренней ее стороне. Равномерное распределение обычно достигается при очень малом отрицательном развале (в несколько угловых минут), который становится равен нулю на внешних колесах, наиболее важных при повороте. Когда автомобиль принимает крен, колеса наклоняются в сторону одновременно с ним.

Схождение колес

Любое изменение схождения колес, очевидно, будет увеличивать сопротивление качению и износ шины. Следовательно, насколько это возможно во время движения автомобиля по прямой, колеса должны быть параллельны. Это особенно важно для очень широких гоночных шин высокого сцепления. Небольшое схождение передних колес будет усиливать ответную реакцию автомобиля на руление, когда автомобиль переходит с прямолинейной траектории на дугу поворота. Напротив, расхождение колес делает ответную реакцию автомобиля более плавной и постепенной. Но более важным, чем схождение само по себе, является изменение схождения в результате движения частей подвески.

Если сжатие передней подвески вызывает увеличение схождения колес (ударное схождение), на входе в поворот возникает избыточная поворачиваемость, потому что при крене автомобиля увеличивается угол поворота внешнего колеса (которое несет большую нагрузку, чем внутреннее колесо, и тем самым определяет траекторию движения автомобиля), и водитель должен уменьшить воздействие на руль, чтобы удержать автомобиль на желаемой траектории. И наоборот, ударное расхождение колес делает автомобиль менее остро реагирующим, поскольку крен автомобиля уменьшает угол поворота внешнего колеса. В первом случае очень трудно удержать автомобиль на чистой траектории, поскольку при сбросе газа на повороте возникает очень сильная «реакция внутрь», связанная с перераспределением веса на переднюю ось и последующим увеличением схождения колес. Вариации схождения в основном зависят от взаимного расположения рулевых тяг.

Вариации схождения задних колес в той же степени важны, и они вносят вклад в пассивное руление задних колес. Схождение при загрузке, которое вызывает увеличение схождения внешнего заднего колеса в момент крена автомобиля в повороте, частично компенсирует увод, и автомобиль ведет себя, как если бы угол увода был меньшим, чем он есть на самом деле. Следовательно, это способствует недостаточной поворачиваемости, в то время как расхождение способствует избыточной поворачиваемости и делает автомобиль трудноуправляемым .

В то время как на автомобилях, предназначенных для гонок, вариации схождения передних колес легко регулируются, такие регулировки на гражданских автомобилях более затруднительны, но это и требуется относительно редко. Изменения схождения задних колес обычно определяются конструкцией подвески, хотя возможность статической регулировки схождения обычно обеспечивается на гражданских автомобилях и является нормой для гоночных автомобилей. В идеале статическое схождение задних колес должно быть минимальным, но таким, чтобы сжатие подвески не приводило бы к их расхождению. Если же, - как правило, это встречается на гражданских автомобилях - детали подвески сочленяются посредством сайлент-блоков (которые на гоночных машинах должны быть максимально жесткими или, если это разрешено, заменены твердыми втулками или шаровыми опорами), желательно придать задним колесам значительное схождение, чтобы исключить их расхождение под действием тормозных сил.

Очевидно, что все соображения, касающиеся задних колес, относятся только к автомобилям с независимой задней подвеской. Если используется задняя подвеска с жесткой балкой, никакие изменения схождения или регулировки невозможны.

Регулировка кастора

Чем больше угол кастора, тем выше момент, возвращающий передние колеса к положению прямолинейного движения. На гоночных автомобилях угол кастора легко регулируется в зависимости от предпочтений водителя. Большой угол кастора увеличивает усилие на рулевом колесе, но обеспечивает более сильную обратную связь или «чувство руля».

Распределение веса

Для правильной управляемости существенно, чтобы на два колеса одной оси приходились бы равные части веса автомобиля. При жестких подвесках современных гоночных автомобилей это особенно важно и должно контролироваться и регулироваться на абсолютно ровной и горизонтальной поверхности. Убедиться, что автомобиль стоит «на ровном киле» - недостаточно, поскольку может оказаться, что большая часть веса приходится на два диагонально противоположных колеса, а другие два колеса едва касаются дороги.

Размеры колес и покрышек

Как мы видели раньше, чем шире диск колеса и чем ниже профиль покрышки, тем меньше угол бокового увода при прочих равных условиях. Широкие диски также позволяют использовать более широкие покрышки с кордом, обеспечивающие больший размер контактной поверхности, что также способствует уменьшению угла увода и улучшению сцепления. Использование колес и покрышек большего диаметра также увеличивает сцепление, поскольку это увеличивает площадь контактной поверхности. Следовательно, если это возможно и разрешено регламентом, задние колеса большой ширины и диаметра с соответствующими покрышками будут способствовать уменьшению избыточной поворачиваемости, а такие же колеса спереди будут способствовать уменьшению недостаточной поворачиваемости. В случае ведущих колес это также улучшит тяговые возможности.

Размер шины, очевидно, должен зависеть от нагрузки, на нее приходящейся. На большинстве гоночных автомобилей, специально сконструированных для гонок, задние колеса несут значительно большую нагрузку, чем передние, для улучшения тяговых качеств автомобиля. Они дополнительно загружаются перераспределением веса при ускорении, и поскольку центр масс автомобиля находится вблизи задних колес, они подвергаются боковым силам на повороте. Это приводит к необходимости использования покрышек большего размера сзади, чем спереди, для сохранения правильного баланса.

Очень широкие покрышки, однако, не являются панацеей. Они увеличивают аэродинамическое сопротивление, особенно на болидах с открытыми колесами, а также на гражданских автомобилях или гоночных автомобилях на их основе. Они также склонны к аквапланированию на сравнительно низких скоростях. Если на гражданских автомобилях можно принять какое-то компромиссное решение, то для кольцевых гонок и ралли используются покрышки трех основных типов, обычно называемых «сухие», «промежуточные» и «дождевые». Современные сухие покрышки - это «слики», лишенные каких-либо дренажных канавок для достижения наилучшей боковой жесткости и максимального увеличения площади контакта резины с дорогой. Их использование на дорогах общего пользования запрещено, поскольку даже очень тонкий слой воды на поверхности дороги делает их опасными. Промежуточные покрышки имеют достаточно водоотливных канавок для отвода воды от контактной поверхности, пока слой воды на поверхности остается сравнительно тонким. Дождевые покрышки, имеющие большее число дренажных канавок, используются под проливным дождем. На сухой поверхности дождевые и промежуточные покрышки, особенно дождевые, имеют меньше сцепления, чем сухие слики, и соответственно являются более медленными. Но различный состав резины, из которой они сделаны, и их меньшая контактная площадь (там, где проходят канавки, нет резины) быстро приводят к перегреву шин как только дорога высыхает, в результате чего резина размягчается и разрушается под действием центробежных сил, действующих на нее.

Даже среди сликов производители покрышек обеспечивают выбор различных вариантов состава резины для конкретных профилей и поверхностей трассы, а также для различных климатических условий. В холодную погоду используется более мягкая резина. Нормальной практикой является установка на одну и ту же машину резины различного состава. На кольцевых трассах, проходимых в направлении «по часовой стрелке», где левые колеса испытывают большие нагрузки, чем правые, часто используют левые колеса из более твердой резины, а правые - из более мягкой. В ралли употребляются совершенно другие марки резины, начиная со сликов, используемых только на сухих асфальтовых спецучастках, и заканчивая грязевыми, снеговыми и ледовыми марками резины, причем последние два типа ошипованы, более того, иногда используют даже шипованные слики!

Пружины и амортизаторы

Требования, предъявляемые к пружинам и амортизаторам, совершенно различны на закрытых, специально сконструированных гоночных трассах и на ралли, проводимых на перекрытых для движения дорогах общего пользования и бездорожье. Одноместные гоночные болиды и так называемые «гоночные спортивные автомобили» (Группа С и подобные) в значительной степени используют аэродинамическую прижимную силу для получения исключительно высокой скорости прохождения поворотов. Большая часть этой прижимной силы создается ground-эффектом за счет специального профиля днища автомобиля, работающего как своего рода трубка Вентури, в которой создается частичное разрежение воздуха, прижимающее автомобиль к земле. Оно сильно зависит от расстояния между днищем автомобиля и поверхностью дороги. Любое отклонение величины этого расстояния от оптимума уменьшает разрежение под днищем, и соответственно уменьшает сцепление автомобиля с дорогой, противодействующее силам действующим на автомобиль в поворотах, при разгонах и торможениях. Поскольку прижимная сила, созданная за счет ground-эффекта и антикрыльев (и которая растет пропорционально квадрату скорости), приложена к подрессоренным массам автомобиля (правила

Рис. 45. Прижимная сила, создаваемая ground-эффектом благодаря специальному профилю днища автомобиля, а также антикрыльями, размер и расположение которых на автомобиле ограничены регламентом, может достигать 3500 фунтов на скорости 200 миль в час. Обратите внимание на многочисленные регулировочные приспособления двойного антикрыла на этом болиде класса «Формула-1» (Leyton House March).

запрещают прямое воздействие на подрессоренные массы машины), и может в четыре раза превышать собственный вес автомобиля, должны использоваться очень жесткие пружины - как минимум до тех пор, пока не будут разрешены надежные быстродействующие устройства автоматической регулировки уровня или активные подвески.

Предпочтительно использовать максимально мягкую подвеску, которая еще позволяет сохранить ground-эффект. Это подразумевает, что на очень быстрых трассах, где угол атаки антикрыльев уменьшают, жертвуя частью прижимной силы ради снижения аэродинамического сопротивления, используется более мягкая подвеска, чем в обратном случае, когда высокую прижимную силу предпочитают низкому аэродинамическому сопротивлению. Более мягкая подвеска не только обеспечивает более стабильное сцепление колес с дорогой, но также лучшее взаимодействие между передней и задней подвеской и, следовательно, лучшую реакцию автомобиля на настройки стабилизаторов поперечной устойчивости.

Рис. 46. Автор испытывает автомобиль Мазда 878 на трассе Пауль Ричард в 1992 г. Вход в медленный (примерно 65 миль в час) поворот. Довольно широкая трасса позволяет выбрать наилучшую траекторию.

Жесткость амортизаторов также очень важна. Она должна быть согласована с жесткостью пружин, поскольку при очень жестких пружинах могут возникать резонансы между частотами собственных колебаний колес и пружин и колебаний собственно автомобиля. Принимая во внимание очень короткий ход такой подвески, также существенно важно, чтобы амортизаторы нормально реагировали на малые перемещения. Слишком мягкие пружины или неправильно подобранные амортизаторы могут вызвать раскачивание: ground-эффект прижимает автомобиль вниз к дороге, и как только дорожный просвет станет меньше оптимального, ground-эффект уменьшится и автомобиль снова сместится вверх, пока нормальный ground-эффект не будет восстановлен.

Благодаря очень короткому ходу подвески современных одноместных гоночных болидов (полдюйма для передней подвески и один дюйм для задней между полным отбоем и полным сжатием), геометрия подвески не играет большой роли по сравнению с аэродинамической эффективностью и технологией производства шин.

В гонках серийных автомобилей жесткие подвески используются в основном для уменьшения кренов на поворотах и клевков при торможении и разгоне. Крены дополнительно контролируются стабилизаторами поперечной устойчивости, которые, как правило, являются настраиваемыми под конкретную трассу и водителя. Но подвески никогда не бывают столь жесткими, как на специальных гоночных автомобилях, которые сейчас конструируются на основе углеволоконных монококов, имеющих огромную жесткость. Кузова туринг-каров, даже усиленных каркасом безопасности, недостаточно жестки для работы со столь жесткими подвесками, поскольку они сами начинают работать в качестве незадемпфированных рессорных пружин, которые связывают переднюю и заднюю подвески и вызывают нежелательные резонансы.

Подводя итоги того, что касается настроек шасси, сформулируем основные принципы.

Для уменьшения избыточной поворачиваемости или увеличения недостаточной поворачиваемости:

• увеличить поперечную жесткость передней подвески использованием более жестких пружин или более жесткого стабилизатора поперечной устойчивости;

• уменьшить поперечную жесткость задней подвески использованием более мягких пружин или более мягкого заднего стабилизатора поперечной устойчивости (следует помнить, что увеличение жесткости стабилизатора на ведущих колесах приведет к уменьшению тяги);

• установить меньший отрицательный развал передних колес и/или больший отрицательный развал задних колес в пределах допустимого;

• использовать более узкие передние диски и/или более широкие задние диски с соответствующими покрышками;

• уменьшить давление в шинах передних колес и/или увеличить давление в шинах задних колес в пределах допустимого;

• увеличить схождение задних колес в разумных пределах.

Для увеличения избыточной поворачиваемости или уменьшения недостаточной поворачиваемости:

• использовать рекомендации, обратные перечисленным выше.

Для плавного вхождения в поворот:

• отрегулировать геометрию рулевого управления, таким образом добиваясь уменьшения схождения при сжатии подвески;

• установить небольшое статическое расхождение передних колес;

• увеличить жесткость передних амортизаторов или уменьшить жесткость задних амортизаторов.

Аэродинамические настройки

На всех гоночных автомобилях, включая специально подготовленные для гонок гражданские автомобили, используются аэродинамические приспособления для создания прижимной силы и улучшения сцепления колес с дорогой. Регламент запрещает подвижные приспособления такого типа, и они соответственно должны быть настроены для обеспечения наилучшего компромисса между высокой прижимной силой и низким аэродинамическим сопротивлением, поскольку любое увеличение угла атаки антикрыльев ведет к росту аэродинамического сопротивления.

В гоночных автомобилях, на которых наилучшим образом используется ground-эффект, антикрылья нужны не только для увеличения прижимной силы, но и для регулировки распределения подъемных и прижимных сил по осям автомобиля.

В четвертой главе мы видели, что на заднем приводе благодаря тому что сила тяги там всегда направлена вдоль оси автомобиля, любой такой автомобиль (это нормальная конфигурация гоночного автомобиля) будет все более проявлять недостаточную поворачиваемость по мере увеличения угла поворота передних колес, если только для преодоления этого не используются аэродинамические приспособления. Следовательно, если настройки автомобиля обеспечивают небольшую недостаточную поворачиваемость в быстрых поворотах - необходимое требование управляемости автомобиля в таких условиях - недостаточная поворачиваемость неизбежно усилится в более крутых поворотах. Этого можно в значительной степени избежать посредством настройки аэродинамических приспособлений. Для этого их необходимо настроить таким образом, чтобы прижимная сила на задней оси была бы больше, чем на передней. Тогда можно будет настройкой шасси ликвидировать растущую недостаточную поворачиваемость в крутых поворотах, и поскольку прижимная сила и, следовательно, сцепление растет пропорционально квадрату скорости автомобиля, его недостаточная поворачиваемость будет увеличиваться с ростом скорости. Тем самым он будет на самом деле сохранять стабильность в быстрых поворотах большого радиуса без проявления излишней недостаточной поворачиваемости в крутых поворотах, где аэродинамические приспособления не оказывают серьезного влияния по сравнению с настройками шасси. Затем лучше всего настроить шасси под наиболее медленную часть трассы, при этом аэродинамические приспособления должны быть установлены так, чтобы они как можно меньше влияли на поведение машины. После того как это сделано, антикрылья и другие аэродинамические приспособления настраивают под наилучшую управляемость на быстрых участках трассы, при этом, в свою очередь, может потребоваться изменение настроек шасси.

Спортивные автомобили и особенности их вождения
Пол Фрере