Увод

Если колесо и покрышка катятся без воздействия на них каких-либо боковых сил, они будут катиться по прямой линии, которая лежит в плоскости колеса. Любая сила, действующая под прямым углом к плоскости качения колеса, будет отклонять его в направлении приложенной силы. Если эта сила не превышает силы сцепления колеса с дорогой, скольжения колеса по дороге не будет; отклонение будет полностью происходить за счет деформации покрышки. Это отклонение, которое до определенного момента пропорционально боковой силе, действующей на колесо и покрышку, называется «уводом» - в отличие от «скольжения», которое наступает при превышении предела сцепления с дорогой. Угол между плоскостью колеса и направлением его движения под действием приложенной к колесу боковой силы называется углом увода. Отклонение вызывается боковой деформацией покрышки под действием силы, толкающей ее в боковом направлении. Благодаря этой деформации траектория движения частей протектора катящегося колеса, не контактирующих непосредственно с дорогой, не проходит через центр контактного пятна; она отклонена на некоторое расстояние в направлении силы, действующей на колесо. Когда какая-то часть этого свободного от контакта протектора входит в контакт с дорогой, центр ее контактного пятна будет смещен относительно центра контактного пятна, рассмотренного нами непосредственно перед этим. Хорошую демонстрацию того, что происходит на самом деле, можно получить, катя круглый ластик, какие используются для пишущих машин, по поверхности стола, одновременно толкая его в сторону.

Рис. 31. Когда сила F приложена под прямым углом к плоскости колеса, покрышка деформируется и центр контактного пятна А перестает находиться в вертикальной плоскости симметрии колеса.

При этом следует плотно прижимать его к поверхности стола для предотвращения скольжения.

Таким образом, под действием боковой силы, например под действием на автомобиль центробежной силы, катящееся колесо и покрышка будет отклоняться от своей плоскости. При этом не будет происходить скольжения. В результате даже без скольжения и при сравнительно низкой скорости автомобиль в повороте не следует в точности той траектории, которая определяется геометрией его колес. В действительности он движется по траектории, по которой следуют его колеса с учетом угла увода. Любое увеличение или уменьшение угла увода приведет к изменению траектории, так же как от изменения ориентации его колес. Такой способ управления автомобилем, разумеется, реализуется задними колесами автомобиля точно так же, как и передними. Для конкретной покрышки угол увода в основном определяется четырьмя факторами:

1) Боковая сила, действующая на колесо. Любое увеличение этой силы очевидно приводит к увеличению угла увода.

2) Давление в шине. Любое уменьшение давления увеличивает угол увода. И наоборот, увеличение давления в шине уменьшает угол увода до определенного предела, пока площадь пятна контакта не слишком сильно уменьшена.

Рис. 32. Плоскостная проекция катящегося колеса под действием силы F, приложенной под прямым углом к его плоскости (боковая сила). Центр пятна контакта покрышки с дорогой (А) смещен вбок и назад. Угол а является углом увода. Вместо направления, лежащего в плоскости колеса, оно следует по траектории АВ.

3) Вес, приходящийся на колесо. Для данной боковой силы, угол увода покрышки минимален при том весе, для которого была рассчитана покрышка. Значительное увеличение или уменьшение веса приведет к увеличению угла увода. В случае уменьшения веса, это происходит частично за счет увеличения проскальзывания отдельных участков пятна контакта.

4) Развал колес. Положительный развал увеличивает угол увода при прочих равных условиях, в то время как отрицательный развал до некоторой степени уменьшает его.

Скольжение

Угол увода достигает максимума, когда боковая сила, действующая на колесо, приближается к пределу сцепления покрышки с дорогой. Когда этот предел оказывается превышен, увод переходит в скольжение. При этом покрышка на самом деле скользит по поверхности дороги. Очевидно, угол скольжения добавляется к углу увода.

В то время как увод может быть вызван только силами, действующими перпендикулярно плоскости колеса, скольжение может быть обусловлено также и силами, действующими в плоскости самого колеса, то есть тормозными силами или силами тяги.

Сцепление колеса с дорогой одинаково во всех направлениях. Это значит, что если мы хотим тянуть заблокированное колесо в его собственной плоскости, то должны будем приложить такую же силу, какая требуется для его перемещения вбок или в любом другом направлении. Если к колесу прилагается крутящий момент, сила тяги, действующая на дорогу, не может превысить предела сцепления колеса с дорогой.

В этой связи важным обстоятельством является то, что часть сцепления, используемая силами тяги или торможения, уменьшает сопротивление, которое колесо может оказывать действию сил, перпендикулярных его плоскости. Постоянство сцепления во всех направлениях можно схематически представить на диаграмме в виде окружности, центр которой находится в центре контактного пятна покрышки с дорогой. Радиус этой окружности определяется силой сцепления. Если сила, превышающая радиус этой окружности, приложена в любом направлении к точке контакта колеса с дорогой, наступит скольжение; если приложенная сила не превышает радиуса окружности, оно не

Рис. 33. Радиус окружности r - мера сцепления колеса с дорогой. Если на колесо действует боковая сила F_l для ускорения или торможения автомобиля остается доступна сила величины F. Если к колесу приложена ведущая или тормозная сила F_p, любая боковая сила, превышающая F_l вызовет скольжение колеса. F_l таким образом, есть сила максимального бокового сцепления колеса, доступного для противодействия скольжению, если тормозная или ведущая сила F_p приложена через контактное пятно покрышки с дорогой. Полная сила сцепления равна = √F_p² + F_l²

будет двигаться. Все силы, приложенные к точке контакта (для простоты мы полагаем, что контакт между покрышкой и дорогой происходит в точке) могут быть разложены на (1) силу, действующую перпендикулярно плоскости колеса, и (2) силы, действующие в плоскости колеса. Эти две силы взаимозависимы; если сила, не превышающая предела сцепления колеса, приложена в плоскости колеса (ведущая или тормозная сила), это приведет к уменьшению сопротивления колеса силам, приложенным перпендикулярно его плоскости (то есть, силам, стремящимся заставить его скользить вбок). Любая сила, действующая перпендикулярно плоскости колеса (то есть сила, стремящаяся перевести автомобиль в скольжение) уменьшает возможности для торможения или ускорения. Эти силы связаны между собой формулой:

где F_p - сила, действующая в плоскости колеса; F₁ - боковая сила.

Таким образом, если сила F_p прикладывается посредством колеса для ускорения или торможения автомобиля, сила F₁, действующая под прямым углом к плоскости колеса,

достаточна для перевода автомобиля в скольжение. Следовательно, если колесо подвергается действию боковой силы F₁, максимальная ведущая сила, которая может быть передана на колеса без пробуксовки, равна

Эта формула не только показывает, что любая сила, приложенная в одной из плоскостей, уменьшает способность колеса сопротивляться силам, приложенным в перпендикулярном направлении, но также и то, что если одна из этих сил равна предельной силе сцепления колес с дорогой, то возможностей для сопротивления каким-либо другим силам больше не остается.

Это значит, что если колесо буксует под действием избыточного крутящего момента, или же заблокировано тормозами, оно будет неспособно сопротивляться скольжению в каком-либо направлении; и наоборот, если колесо скользит в отсутствии приложенных к нему ведущих или тормозных сил, оно не способно передавать эти силы, если это требуется.

Рис. 34. В толпе машин не всегда возможно, и даже не всегда желательно, соблюдать академически правильную траекторию в повороте. В этом повороте на 180 градусов Вилли Мэйрес едет, вероятно, по наиболее правильной траектории, но Лючано Бьянки смог протиснуться, и лидирующий автомобиль вынужден покинуть эту траекторию на выходе из поворота. Если бы Мэйрес держался ближе к внутреннему радиусу, он потерял бы каких-нибудь несколько сотых секунды, но зато его никто не оттеснил бы с траектории, и он продолжал бы лидировать. (Тур де Франс, 1961, кольцо Брюссель-Хейшель)

Этим объясняется, почему даже обыкновенный гражданский автомобиль, проходящий скользкий поворот на постоянной скорости с малым газом, начинает скользить, если открыть газ достаточно широко, чтобы заставить ведущие колеса буксовать на промежуточной передаче. Вызванное таким образом скольжение прекращается, если только в достаточной степени уменьшить подачу топлива, с тем чтобы уменьшить ведущую силу до величины, сопоставимой с боковой силой, действующей на колеса, или выйти из поворота по прямой траектории, уменьшив действующие на колеса боковые силы соответственно приложенной к ним ведущей силе. Это два способа, при помощи которых водитель может корректировать скольжение. Точный момент, когда под действием растущей боковой силы, приложенной к катящимся колесам, увод переходит в скольжение, на широких покрышках определить труднее, чем на узких.

На узких дорожных колесах переход от увода к скольжению происходит весьма плавно. При этом быстро растущий угол увода предупреждает водителя о том, что предел сцепления уже близко и скоро начнется скольжение. На широких шинах высокого сцепления этот переход происходит гораздо более резко. Угол увода практически не растет, пока не наступит предел сцепления. Скольжение начинается внезапно, практически без предупреждения, что требует от водителя хорошей реакции. Гоночные автомобили, кроме низкопрофильных покрышек имеющие также малую полярную инерцию, едут фактически в экстремальных условиях.

Недостаточная и избыточная поворачиваемость

Практический эффект действия боковых сил на колесо заключается в том, что колесо движется под углом к своей собственной плоскости, независимо от того, происходит ли при этом скольжение после достижения предела сцепления или же боковая сила вызывает небольшой увод колеса. Следовательно, увод и скольжение оказывают весьма похожее влияние на движение автомобиля, поскольку при этом изменяется движение автомобиля независимо от действий водителя рулевым колесом.

Поведение автомобиля в том случае, когда превышен предел сцепления на одной или обеих осях, в основном зависит от действий водителя. В то же время, поведение автомобиля в режиме увода передних и задних колес под действием боковых сил, будь то центробежная сила на повороте, сила давления бокового ветра или какая-либо еще, определяется в основном углами увода. Если под действием определенной боковой силы угол увода передних колес меньше, чем угол увода задних, тогда принято говорить, что автомобиль обладает избыточной поворачиваемостью, потому что это реально приводит к движению по кривой большей кривизны по сравнению с той, которая соответствует геометрической конфигурации колес. Напротив, если угол увода передних колес больше, чем задних, тогда автомобиль обладает недостаточной поворачиваемостью; он движется по более широкой траектории, чем та, которая соответствует геометрии расположения его колес. Равные углы увода передних и задних колес приводят к так называемой нейтральной поворачиваемости. На практике автомобиль с нейтральной поворачиваемостью, то есть, автомобиль, проходящий поворот с равными углами увода передних и задних колес, не будет точно следовать траектории, определяемой геометрическим расположением его колес, а будет описывать траекторию большего радиуса. Он следовал бы этой траектории только в том случае, если углы увода стали бы равны нулю, или поворачиваемость автомобиля была бы слегка избыточна.

Рис. 35. Автомобиль с избыточной поворачиваемостью (слева) а < β. Угол увода передних колес меньше, чем задних. Автомобиль стремится отклониться от первоначальной траектории. Автомобиль с недостаточной поворачиваемостью (справа) а > β. Угол увода передних колес больше, чем угол увода задних колес. Автомобиль, получив отклонение от своей траектории, стремится вернуться обратно к первоначальному направлению движения.

Отношение углов увода передних и задних колес не только различно для различных автомобилей, но и меняется в зависимости от различных условий для одного и того же автомобиля. К примеру, увеличение массы будет влиять на характеристики управляемости. Если полностью загрузить четырехместный пассажирский автомобиль, его центр тяжести сместится назад, так что распределение компонент центробежной силы, действующих на переднюю и заднюю оси, также изменится. На заднюю ось будет приходиться большая часть центробежной силы, а меньшая ее часть - на переднюю. При этом угол увода задних колес увеличится, а передних колес - уменьшится. Это приведет к избыточной поворачиваемости; увеличенная загрузка задней оси также увеличивает угол увода.

Зная причины, влияющие на поведение колес под действием боковых сил, возможно в определенных пределах изменять поведение автомобиля при помощи различной геометрии передней и задней подвесок и подходящих характеристик стабилизаторов поперечной устойчивости, так что они будут различным образом реагировать на боковые силы, действующие на центр тяжести. Например, избыточную поворачиваемость можно до некоторой степени исправить специальной конструкцией задней подвески, при крене слегка поворачивающей внешнее заднее колесо внутрь для компенсации избыточного увода. С подвеской типа beam axle или при всех четырех управляемых колесах, заднюю ось можно даже заставить немного подруливать для компенсации увода задних колес.

Но даже если задаться целью построить автомобиль с абсолютно постоянной поворачиваемостью, например нейтральной, это было бы невозможно по той причине, что боковые силы, действующие на передние и задние колеса соответственно, никогда не подчиняются одной и той же пропорции. При входе в поворот автомобиль склонен к недостаточной поворачиваемости за счет собственной инерции; чем быстрее производится вход в поворот, тем сильнее это проявляется.

Рис. 36. По мере уменьшения радиуса поворота боковая компонента F_l центробежной силы F_c, действующая на задние колеса, уменьшается сильнее, чем ее компонента F_c1, действующая на передние колеса.

Для любой заданной величины центробежной силы, ее боковая компонента, действующая на задние колеса, с уменьшением радиуса поворота уменьшается в большей степени, чем боковая сила на передних колесах. Таким образом, чем круче поворот, тем меньше будет избыточная поворачиваемость и тем больше недостаточная.

На заднеприводном автомобиле ведущие силы всегда приложены к задней оси вдоль продольной оси автомобиля. Как только передние колеса оказываются повернуты, ведущая сила создает боковую компоненту силы на передних колесах, растущую с увеличением угла поворота передних колес (рис. 36). Это, очевидно, создает дополнительную причину для недостаточной поворачиваемости, которая добавляется к стандартной недостаточной поворачиваемости, а автомобиль с избыточной поворачиваемостью может кратковременно приобрести недостаточную поворачиваемость.

Однако, если на заднеприводном автомобиле во время поворота к ведущим колесам приложен крутящий момент, достаточный для пробуксовки ведущих колес, тогда сцепление задних колес с дорогой

Рис. 37. На заднеприводном автомобиле, ведущая сила F_d создает боковые компоненты сил (F_l и F_l¹ ), действующие на передние колеса, повернутые по направлению криволинейной траектории.

оказывается нарушенным. При этом колеса прекращают сопротивляться боковым силам, необходимым для следования по дуге поворота, и начинается занос задних колес при любых характеристиках поворачиваемости автомобиля. Если своевременно не уменьшить подачу топлива и/или распрямить траекторию рулевым колесом, занос автомобиля перейдет во вращение.

Переднеприводные автомобили в основном обладают недостаточной поворачиваемостью, хотя бы потому, что из-за близости центра тяжести к передним колесам на них приходится большая часть всех действующих на автомобиль боковых сил. Если необходимо, это можно исправить соответствующей настройкой подвесок, но с ростом крутящего момента, передаваемого передними колесами, уменьшается доля сцепления, доступная для сопротивления боковым силам, и растет угол увода передних колес. Как только передние колеса начинают приводить автомобиль в движение (т.е. водитель дает тягу на передние колеса) они оказываются подвержены действию боковых сил, предел по сцеплению с дорогой на передних колесах достигается раньше, чем на задних, и они едут по более широкой траектории.

Поэтому все переднеприводные автомобили под действием силы тяги двигателя проявляют недостаточную поворачиваемость.

Недостаточная поворачиваемость под тягой также характерна для полноприводных автомобилей, но в этом случае гораздо больше мощности требуется для срыва сцепления, поскольку крутящий момент в этом случае распределен по всем четырем колесам.

Как превратить недостаточную поворачиваемость в избыточную

Автомобиль с недостаточной поворачиваемостью устойчив, в то время как автомобиль с избыточной поворачиваемостью постоянно находится в неуравновешенном состоянии. Это легко понять: как только автомобиль отклоняется от прямолинейного движения, возникает центробежная сила, действующая на весь автомобиль и вызывающая увод колес. На автомобиле с недостаточной поворачиваемостью угол увода передних колес больше, чем угол увода задних колес, и такой автомобиль стремится автоматически вернуться к исходному направлению движения. Напротив, если поворачиваемость автомобиля избыточна благодаря тому, что угол увода задних колес больше, чем передних, он будет стремиться в направлении полученного им отклонения от прямолинейного движения, тем самым это отклонение будет усиливаться. Это, в свою очередь, усилит центробежную силу, действующую на автомобиль, разница между углами увода передних и задних колес увеличится, и если водитель немедленно не примет необходимых мер, автомобиль уйдет на кривую и начнет вращаться.

Принято считать, что для среднестатистического водителя наилучшим является автомобиль с недостаточной поворачиваемостью. Он (или она) никогда этого не заметит и просто будет направлять автомобиль туда, куда желает двигаться. Это одна из причин популярности автомобилей с передним приводом: управление ими не связано с какими-либо проблемами, поскольку водитель вряд ли столкнется с ситуациями, требующими коррекции заноса задних колес с помощью руления.

Однако нет единого мнения, каким образом автомобиль должен вести себя, когда во время поворота водитель отпускает педаль газа. Некоторые производители прилагают большие усилия к настройке подвесок для борьбы с медленным входом автомобиля в поворот, то есть для уменьшения недостаточной поворачиваемости из-за перераспределения веса, приводящего к загрузке передней оси и разгрузке задней, увеличивающего и уменьшающего углы увода передней и задней оси соответственно. Другие, напротив, настаивают на том, что автомобиль должен входить в поворот при увеличении газа - но не слишком резко, чтобы автомобиль продолжал управляться достаточно комфортно. Я лично весьма склоняюсь к первой точке зрения, поскольку в этом случае при входе в поворот проще заметить превышение оптимальной скорости на подходе к повороту. Опытный водитель использует такое поведение автомобиля для облегчения быстрого входа в поворот, что улучшает его подвижность на извилистых дорогах или в случае опасности. Я полагаю, что такое поведение абсолютно необходимо для автомобиля, особенно для спортивных переднеприводных и полноприводных автомобилей, как правило обладающих недостаточной поворачиваемостью под тягой.

Хотя нет большой разницы между переднеприводным и заднеприводным автомобилем при входе в поворот на предельной для данного поворота скорости, существует предел силы тяги, которая может быть передана на передние колеса. Считается, что переднеприводные автомобили обладают лучшими тяговыми качествами, чем аналогичные модели с задним приводом. В случае незагруженного гражданского автомобиля, особенно для большинства переднеприводных автомобилей, более 60% полного веса сосредоточено на передних колесах. Это также справедливо для заднеприводных автомобилей со средним и задним расположением двигателя. Но существует весьма низкий предел тягового усилия, которое может быть передано передними колесами. Это связано с тем, что чем больше ускорение автомобиля, тем большая часть его веса перераспределяется с передних колес на задние. Следовательно, чем больше тяги используется для ускорения, тем меньше сцепление передних колес с дорогой. Именно поэтому мощные гоночные автомобили всегда имеют привод на задние колеса. В этом случае, перераспределение веса пропорционально ускорению (и обратно пропорционально длине базы и высоте центра тяжести) увеличивает сцепление ведущих колес с увеличением крутящего момента.

Для гонок на трассах с высоким коэффициентом сцепления лучше всего небольшая недостаточная поворачиваемость автомобиля, которая совершенно необходима для устойчивости на прямой и, кроме всего прочего, в быстрых поворотах, но при этом должна быть небольшая положительная поворачиваемость или уменьшение недостаточной поворачиваемости при отпускании педали газа. Это помогает вписываться в поворот. Автомобиль также должен иметь достаточную мощность для срыва ведущих колес в пробуксовку на грани сцепления, для обеспечения избыточной поворачиваемости на выходе из поворота. В этом случае, автомобиль проходит поворот скольжением всех четырех колес и будет направлен в сторону дальнейшего движения по прямой - если она присутствует - еще до выхода из поворота. В этот момент можно дать полное ускорение, используя сцепление всех ведущих колес, а боковая сила уменьшится до пренебрежимо малого уровня. Чтобы добиться этого, весьма важно точно контролировать величину избыточной поворачиваемости, создаваемой пробуксовкой, и в этой связи полезен дифференциал повышенного трения. Иначе, внутреннее ведущее колесо будет буксовать, а более загруженное внешнее колесо с большим сцеплением не будет сорвано в пробуксовку и заноса задней оси не будет, даже когда это потребуется.

Рис. 38. Автор на Порше Турбо демонстрирует выход из поворота с заносом. Таким образом, мощный автомобиль с задним приводом можно сориентировать в направлении последующего движения по прямой еще до того, как поворот на самом деле закончится. Если угол заноса будет больше, чем здесь показано, будет потеряно время.

Рис. 39. Это почти максимальный угол заноса, который можно видеть на современных гонках одноместных болидов. (Ален Прост, «Феррари», 1990 г., Гран-при Франции, кольцо Пауль Ричард)

Угол заноса, применяемый на современных гоночных автомобилях, гораздо меньше того, каким пользовались гонщики 60-х годов, в основном потому, что современные гоночные шины обеспечивают гораздо меньшие углы увода, чем тогда (не более двух градусов), и потому, что очень большая сила сцепления вызывается аэродинамической прижимной силой, действующей на автомобиль. Но в гонках дорожных автомобилей и сейчас еще можно наблюдать сравнительно большие углы заноса.

Прохождение поворота в заносе

На скользких покрытиях на автомобиле с передним приводом можно вызвать занос в повороте при помощи соответствующих техник управления (иногда немного странных). К этому вопросу мы еще вернемся. Наилучшей конфигурацией для достижения правильного заноса с минимальными потерями времени является задний привод.

Движение в заносе предполагает, что при совместном действии боковой составляющей центробежной силы и крутящего момента двигателя на задних колесах, предел сцепления на задних колесах достигается раньше, чем на передних, на которые действуют только боковые компоненты центробежной и ведущей силы. Для полного контроля над заносом водитель должен иметь возможность подачи максимального крутящего момента на задние колеса немедленно, как только это потребуется.

Рис. 40. Угол заноса, принятый автомобилем на дуге поворота в скольжении всеми колесами, ориентирует автомобиль в направлении выхода из поворота и последующего движения по прямой еще до того, как дуга поворота на самом деле закончится.

Для этого, в свою очередь, необходимая передача должна быть включена заблаговременно до входа в поворот, который предполагается пройти в заносе, так чтобы можно было бы точно и без задержки управлять крутящим моментом на ведущих колесах при помощи педали газа. Это крайне важно, поскольку автомобиль в заносе управляется подачей газа в такой же степени, как и рулением.

Между так называемым силовым скольжением и управляемым заносом четкой границы на самом деле нет. Выражаясь гоночным языком, однако, обычно говорят, что происходит силовое скольжение, если передние колеса автомобиля более или менее направлены в направлении проходимого поворота (см. рис. 51); управляемым заносом это называется тогда, когда водителю приходится контролировать траекторию движения поворотом передних колес в сторону, противоположную направлению поворота. Отсюда следует, что только автомобиль с недостаточной поворачиваемостью способен к силовому скольжению, поскольку в большинстве остальных случаев углы увода и скольжения задних колес в сумме превышают угол увода передних колес, так что последние приходится выворачивать немного наружу поворота, чтобы скомпенсировать эту разницу. Если передние колеса вывернуты настолько, что оказываются направлены в сторону, противоположную направлению поворота, тогда силовое скольжение переходит в управляемый занос.

Силовое скольжение четырьмя колесами - это положение, которое правильно сконструированный автомобиль с недостаточной поворачиваемостью автоматически принимает в том случае, когда поворот проходится близко к пределу сцепления, если к задним ведущим колесам приложен достаточный крутящий момент - достаточный как минимум для поддержания скорости движения. Очевидно, это в определенной степени зависит от навыков и реакции водителя, но также до определенной степени это есть состояние устойчивого равновесия. Когда автомобиль движется по дуге достаточно медленно, так что углы увода пренебрежимо малы, центр кривизны его траектории О находится на продолжении его задней оси, там, где она пересекается с перпендикулярами к плоскости передних колес. Как только увод задней оси переходит в скольжение, эта точка пересечения больше не является центром кривизны действительной траектории движения автомобиля. Он перемещается в точку О₁ которая лежит впереди оси задних колес. Рис. 41 показывает, что если бы автомобиль двигался бы вокруг центра кривизны О, то есть без никакого скольжения вообще, тогда бы он очень скоро убрался бы внутрь поворота; на самом деле, он движется вокруг центра кривизны О₁. Это меняет направление центробежной силы с OG на O₁G, так что она образует гораздо меньший угол с плоскостью колес. Принимая, что в обоих случаях значение центробежной силы одинаково, значение ее компоненты, действующей под прямым углом к плоскости колес уменьшается. Это, однако, приводит к возникновению сравнительно важной компоненты, действующей в плоскости колес и противодействующей качению автомобиля, то есть стремящейся его замедлить.

Рис. 41. Автомобиль в силовом скольжении. Чем больше угол заноса у, тем меньше боковые компоненты F_l¹ и F_l центробежной силы F_c, действующие на передние и задние колеса, в то время как компоненты центробежной силы, действующие в плоскости колес, увеличиваются.

До тех пор пока водитель не меняет положения рулевого колеса или крутящего момента, приложенного к ведущим колесам, автомобиль находится в состоянии равновесия, созданного различными действующими на него силами. Если по какой-либо причине скольжение задних колес немного увеличится, например, в результате увеличения крутящего момента двигателя, тем самым уменьшится сопротивление задней оси боковым силам. Угол заноса автомобиля у в этом случае также увеличится, что автоматически приведет к уменьшению составляющей центробежной силы, действующей под прямым углом к плоскости колес, и к увеличению ее составляющей, действующей в этой плоскости в направлении назад. Это, в свою очередь, вызовет замедление автомобиля. В результате получится новое состояние равновесия автомобиля, увеличенный крутящий момент на колесах соответствует увеличению сопротивления качению, и уменьшенная боковая составляющая центробежной силы соответствует уменьшению бокового сцепления ведущих колес в результате увеличения передаваемой на них ведущей силы. Если составляющая центробежной силы, действующая в плоскости задних колес, и ведущая сила, необходимая для удержания автомобиля в движении, в сумме достигают величины силы сцепления задних колес, в таком случае не остается сцепления для бокового удержания колес, и автомобиль вращается. Оптимальное значение угла заноса, которое, очевидно, должно существовать между крайними случаями (отсутствие заноса и неуправляемое вращение), наступает тогда, когда на повороте заданного радиуса предел сцепления ведущих колес достигается в результате совместного действия боковой компоненты центробежной силы и ведущей силы, которых в сумме в точности достаточно для поддержания движения автомобиля на максимально возможной скорости для имеющих место дорожных условий. До сих пор, в целях упрощения изложения, мы предполагали, что направленная вперед сила, приложенная к ведущим колесам, неизбежно уменьшает сопротивление этих колес, которое может быть противопоставлено силам, действующим перпендикулярно их плоскости. В первом приближении это основная компонента центробежной силы, действующей на автомобиль. Это вполне справедливо, но при этом не учитывается, что любая сила, приложенная к ведущим колесам, вызывает перенос веса от передних колес к задним.

(см. рис. 33), F₁ не обязательно меньше, чем сцепление колеса в статических условиях.

Благодаря этому перераспределению веса, сцепление колеса с дорогой, которое пропорционально несомому им весу, увеличивается, так что в формуле

Перенос веса пропорционален ускорению автомобиля, пропорционален высоте центра тяжести и обратно пропорционален колесной базе.

Можно показать, что благодаря перемещению веса, возможность задних ведущих колес к сопротивлению боковым силам до определенного предела действительно увеличивается, когда к ним приложена ведущая сила. Однако, если эта сила слишком велика, возможность сопротивления боковым силам снова падает.

Водитель, проходящий поворот в скольжении, инстинктивно чувствует эти оптимальные условия, при которых достигается максимальное сцепление задних колес для борьбы с боковыми силами. Если в таких условиях резко закрыть дроссель, происходит обратный перенос веса, увеличивающий загрузку передних колес. Поскольку в тот же самый момент боковая компонента ведущих сил, действующая на них, также становится равной нулю, они моментально начинают скользить. Углы их скольжения и увода в сумме снижаются до величины, значительно меньшей, чем угол скольжения задних колес. Это приводит к гигантской избыточной поворачиваемости, в результате которой автомобиль скорее всего начнет вращаться и покинет пределы трассы.

Занос в определенных пределах является состоянием равновесия, и подготовленному водителю сравнительно легко вести автомобиль в заносе по желаемой траектории. Небольшое скольжение задних колес, добавляемое к уводу, позволяет придать автомобилю с недостаточной поворачиваемостью необходимый угол заноса, который может быть достигнут лишь в результате совместного действия силы тяги и центробежной силы. В момент входа в поворот, когда центробежная сила начинает действовать, момент инерции автомобиля относительно его вертикальной оси и ведущая сила, создающая боковую компоненту, действующую на повернутые передние колеса, в совокупности увеличивают недостаточную поворачиваемость автомобиля. Боковая компонента ведущей силы, действующая на передние колеса, может быть сведена к нулю сбросом газа точно в тот момент, когда автомобиль принимает маневр, то есть переходит на искривленную траекторию. Однако силы, обусловленные инерцией вращения автомобиля относительно его вертикальной оси могут быть лишь уменьшены, но не устранены полностью при достаточно плавном вхождении автомобиля в поворот.

Рис. 42. Поворот на скользких покрытиях на заднеприводном автомобиле, быстрее всего проходится в управляемом заносе. Для этого необходимо сообщить автомобилю необходимый угол заноса и удерживать его в равновесии против центробежной силы одновременной пробуксовкой ведущих колес и рулением. Передние колеса при этом вывернуты в сторону, противоположную направлению поворота.

Это легко осуществимо в быстрых поворотах, но на входе в крутой поворот сделать это довольно трудно. Здесь гоночный автомобиль может проявить недостаточную поворачиваемость, эффективно преодолеть которую можно лишь умеренным торможением на входе в поворот. Торможение вызывает перераспределение веса с задней оси на переднюю, уменьшая сцепление задних колес и увеличивая сцепление передних колес с дорогой, тем самым провоцируя заднюю ось к заносу под действием центробежной силы, как только она достигнет достаточно большой величины. В этот самый момент тормоза необходимо отпустить и дать газ, чтобы в дальнейшем удерживать автомобиль в заносе при максимально возможной скорости на дуге поворота. Этот способ вызова заноса умеренным торможением на входе в поворот требует исключительно точной работы педалью тормоза. Если автомобиль входит в поворот на слегка завышенной скорости и силу торможения приходится слегка увеличить, вращение практически неизбежно. Если, напротив, скорость на входе недостаточна, или во избежание потери скорости торможение прекращено еще до момента входа в поворот, вызвать занос автомобиля будет затруднительно.

Анализ сил, действующих на автомобиль в повороте, с очевидностью показывает, что хотя переднеприводному автомобилю на входе в поворот можно придать весьма значительный угол заноса, удержать его на траектории в таком положении невозможно, иначе как искусственным образом при помощи ручного тормоза или торможения левой ногой. Благодаря крутящему моменту, приложенному к передним колесам, и перераспределению веса, возникающему при ускорении (с уменьшением сцепления передних колес автомобиля), передающие тяговое усилие передние колеса неизбежно первыми достигают предела по сцеплению и начинают скользить под действием центробежной силы. Это значит, что автомобиль получает недостаточную поворачиваемость и даже если удается удержать его на желаемой траектории рулением или уменьшением подачи топлива, его никогда не удастся сориентировать в направлении выхода из поворота до того, как дуга поворота закончится. Это неотъемлемый недостаток, органически присущий переднему приводу, поскольку это значит, что дать полный газ для ускорения можно только тогда, когда поворот будет полностью пройден - то есть в более поздний момент, чем в случае езды на заднеприводном автомобиле.

Этот недостаток переднего привода относится даже к маленьким автомобилям, на которых сцепление передних колес достаточно для передачи всей имеющейся в наличии мощности. Передний привод, который в силу сниженного сцепления передних колес при ускорении целесообразен только для автомобилей с умеренным соотношением мощность/вес, дает преимущество только в крутых поворотах. В этих поворотах положение передних колес таково, что на заднем приводе ведущая сила, приложенная к задним колесам, создает на передних колесах боковую компоненту силы, которая уменьшает их сопротивление скольжению в большей степени, чем ведущая сила, которая должна быть приложена к передним колесам на переднеприводном автомобиле при прочих равных условиях для получения такого же ускорения.

Рис. 43. На льду или на снегу занос на полноприводных автомобилях может быть после входа в поворот, как только передняя и задняя оси оказываются жестко связаны трансмиссией. Это происходит автоматически при помощи вискомуфты, межосевого дифференциала повышенного трения или фрикциона с электронным управлением, блокирующего межосевой дифференциал, как только начинается пробуксовка колес. В отличие от заднего привода, наилучшие результаты получаются при меньших углах заноса, поскольку сцепление нарушается одновременно на обеих осях, как это происходит на этой Ауди Кваттро. Передние колеса при этом не нужно выворачивать в сторону, противоположную направлению поворота.

В заключение можно сказать, что благодаря углу заноса, принимаемому заднеприводным автомобилем при прохождении поворота в заносе, компонента центробежной силы, действующая под прямым углом к плоскости колес уменьшена по сравнению с тем значением, которое она бы имела при нулевом угле заноса, то есть при прохождении поворота качением. Благодаря этому поворот в заносе можно проходить на большей скорости, чем без него. При увеличении угла заноса, однако, то же самое происходит с компонентой центробежной силы, действующей вдоль продольной оси автомобиля и противодействующей его движению вдоль траектории и при дальнейшем увеличении угла заноса автомобиль соскальзывает с траектории и покидает дорогу.

На поверхностях с высоким сцеплением современные гоночные покрышки не позволяют использовать большие углы заноса, поскольку сцепление быстро спадает, так как боковая сила и ведущая сила вместе приводят к срыву сцепления, и пробуксовка ведущих колес становится значительной. Как мы увидим позже, большие углы заноса также вредно сказываются на аэродинамике автомобиля, поскольку при этом уменьшается аэродинамическая прижимная сила, позволяющая современным гоночным автомобилям проходить повороты на очень высокой скорости.

Совершенно другие условия имеют место на дорогах с низким сцеплением, с которыми часто приходится иметь дело в ралли. Там часто встречаются большие участки не подготовленных специально дорог, или дорог, покрытых снегом и льдом, как, например, в ралли Монте- Карло или ралли Швеции.

Рис. 44. Ле Ман непрост. Здесь я возвращаюсь на трассу после ошибки в определении тормозного пути из-за плохой погоды и видимости. Первое место, однако, в результате не было потеряно.

Здесь большие углы заноса являются правилом и единственным способом достижения наилучшего результата. Прямо на входе в поворот водитель отправляет свой автомобиль в силовое скольжение со значительным углом заноса, контролируя его одновременно рулением и подачей топлива. Для достижения желаемого угла заноса водитель пользуется контрсмещением перед входом в поворот, двигаясь по переходной кривой показанной на рис. 24, но более широкой, намеренно раскачивая автомобиль и провоцируя его скольжение на входе в поворот, обычно очень коротким сбросом газа для разгрузки задней оси, и немедленно переходит к резкому ускорению для срыва сцепления задних колес.

Этот способ можно применять даже на переднем приводе, но там требуется специальная техника. В этом случае в момент, когда требуется занос задней оси, водитель должен работать педалью тормоза одновременно с резким ускорением. При этом задние колеса кратковременно блокируются, так что перестают сопротивляться центробежной силе, и задняя ось начинает скользить с траектории поворота в направлении внешнего радиуса. В то же время передние колеса, хотя на них также действуют тормоза, продолжают вращаться благодаря крутящему моменту, превосходящему тормозной момент. Для облегчения маневра обычно увеличивают тормозную силу на задних колесах по сравнению с обыкновенными переднеприводными автомобилями, что достигается с помощью специальных регулировок тормозной системы.

Езда полноприводного автомобиля весьма похожа на езду переднеприводного, но это зависит от распределения крутящего момента по осям автомобиля. В отличие от переднеприводных автомобилей угол заноса можно удерживать подачей мощности, хотя углы заноса оказываются меньшими и для этого требуется больше мощности, чем на переднем или заднем приводе.

Независимо от типа поверхности существует оптимальный угол заноса, при котором обеспечивается прохождение поворота с максимально возможной скоростью. Задача водителя - найти этот угол заноса и удерживать его при помощи грамотных действий рулевым колесом и педалью газа. Этим объясняется тот факт, что в гонках, несмотря на то что автомобиль, казалось бы, движется исключительно стабильно по заранее выбранной траектории, обычно можно видеть, как водитель быстрыми движениями покачивает рулевое колесо из стороны в сторону. Это делается для коррекции возникающих мелких скольжений колес, стремящихся изменить угол заноса, выбранный водителем. Эти движения - средство, а не цель, как полагают некоторые, которые думают, что для быстрого прохождения поворота необходимо быстро раскачивать рулевое колесо. Напротив, лучшим водителем является тот, кто способен определить любое нежелательное движение автомобиля, пока оно еще настолько мало, что может быть скорректировано легким движением рулевого колеса. Настоящий водитель экстра-класса может почувствовать, что начинает происходить с автомобилем, еще до того, как это реально начнет происходить, и действовать соответственно. Широкие движения рулевым колесом для удержания автомобиля на траектории - признак плохого водителя.

Аэродинамические приспособления

Хотя в течение многих лет форма кузова серийных автомобилей диктовалась модой, а не аэродинамическими соображениями, конструкторы гоночных автомобилей имели представление о важности снижения аэродинамического сопротивления с самого начала истории автомобильных гонок. Но в то время как влияние аэродинамики на скорость было давно известно, влияние воздушного потока на поведение автомобиля на дороге не было замечено до начала 60-х годов. В самом деле, Опель-рекордсмен 1928 года с реактивным двигателем имел перевернутые крылья от самолета с обеих сторон, чтобы не взлететь, но вряд ли это было практичным решением. И когда швейцарец Михаэль Май, блестящий инженер, который в молодости был успешным гонщиком, в 1955 г. стартовал в гонке на тысячу километров на Нюрбургринге на Порше 550 Спайдер с большим антикрылом над кокпитом и обогнал всех на круг, это выглядело так невероятно, что результат не был засчитан!

Большинство автомобилей на самом деле подвергаются действию аэродинамической подъемной силы, которая растет пропорционально квадрату скорости. Грубо говоря, это происходит в результате того, что путь спереди назад по верхней поверхности автомобиля длиннее, чем тот же путь вдоль поверхности автомобиля, прилегающей к дороге. Это создает разность давлений, стремящуюся приподнять автомобиль, так же как крыло самолета. В автомобилях класса «Формула», традиционно имеющих открытые колеса, дополнительная подъемная сила создается широкими покрышками, поскольку относительная скорость движения воздуха по их верхним поверхностям вдвое превышает скорость автомобиля, а по нижней поверхности колес поток воздуха вообще отсутствует.

В то время как общее уменьшение сцепления за счет подъемной силы ухудшает возможности для прохождения поворота и торможения, распределение зон низкого давления по верхней поверхности машины важно хотя бы потому, что оно определяет изменение загрузки по осям в зависимости от скорости автомобиля. На большинстве современных гражданских автомобилей, особенно закрытых, подъемная сила уменьшает вес на задних колесах в большей степени, чем на передних, а это как раз и является нежелательным. Это значит, что чем больше скорость, тем меньше сцепление задних колес по сравнению с передними и, следовательно, сильнее тенденция к избыточной поворачиваемости. Это также относится к гоночным автомобилям с открытыми колесами, где задние колеса обычно шире передних и, следовательно, создают большую подъемную силу.

Рассматривая случай заднеприводного автомобиля, мы видели, что за счет ведущей силы, всегда приложенной вдоль продольной оси автомобиля, недостаточная поворачиваемость увеличивается с ростом угла поворота передних колес. Следовательно, в быстрых поворотах недостаточная поворачиваемость проявляется меньше, чем в медленных. Это снова противоречит тому, что мы хотим от автомобиля. Добавим это к аэродинамическим силам, которые еще более снижают сцепление задних колес по сравнению с передними при росте скорости, - и автомобиль, настроенный на нейтральную поворачиваемость в медленных поворотах, в быстрых поворотах будет неуправляем в результате избыточной поворачиваемости на высокой скорости. Таким образом, очень важно, чтобы подъемная сила, если она присутствует, на задней оси была бы меньше, чем на передней для любого автомобиля. Без помощи специальных аэродинамических приспособлений добиться этого трудно и на гоночных, и на гражданских автомобилях, особенно в сочетании с низким аэродинамическим сопротивлением.

Примером эффективности таких приспособлений, даже на гражданском автомобиле, является Порше 911 (модель конца 1980-х гг.) Без передней аэродинамической юбки и заднего спойлера, полная подъемная сила на скорости 150 миль в час составляла 180 кг (около 400 фунтов) или 15% всего веса автомобиля, из которых 125 кг приходилось на заднюю ось и 55 кг на переднюю - распределение, в точности противоположное тому, что мы хотели бы видеть, если бы смирились с наличием подъемной силы. С дополнительными аэродинамическими приспособлениями некоторая подъемная сила все же остается, но она уменьшается до очень малой величины в 17 кг (12 кг на заднюю ось и 5 кг на переднюю) - тоже нежелательное распределение, но в абсолютном исчислении разница так мала, что ею можно пренебречь, и управляемость сильно улучшается.

На современных гоночных автомобилях форма корпуса такова, что получается прижимная сила за счет ground-эффекта и использования антикрыльев спереди и сзади (см. рис. 45). Для ограничения эффекта этих приспособлений до приемлемого уровня, регламент соревнований ограничивает их размеры и размещение на автомобиле.

Тем не менее, центростремительные ускорения более 4,5 g были достигнуты на болидах «Формулы-1», что означает, что центробежная сила, действующая на автомобиль (и водителя!) приблизительно в четыре с половиной раза превышает их собственный вес. Прижимная сила, развиваемая на скорости 200 миль в час, может превышать 1500 кг (3300 фунтов). Этим объясняется, почему подвески современных гоночных машин так жестки. Однако имеется еще одна причина для их жесткости: использование ground-эффекта требует, чтобы дорожный просвет выдерживался в очень строгих пределах вне зависимости от нагрузки на автомобиль. Угол атаки автомобиля (т.е. угол наклона относительно дорожного полотна в продольном направлении) также очень важен. Даже очень малое положительное значение угла атаки (подъем передней части или просадка задней, или и то и другое сразу) может привести к значительной подъемной силе на передней оси (или значительно уменьшить прижимную силу) с одновременным увеличением лобового сопротивления, и это в реальности приводило к отрыву гоночных болидов от поверхности трассы с переворотом вверх днищем.

Также следует помнить, что антикрылья наиболее эффективны, когда воздух обтекает их перпендикулярно, то есть когда автомобиль движется по прямой в неподвижном воздухе. При прохождении быстрого поворота, отклонение направления потока обычно недостаточно для серьезного уменьшения эффективности антикрыльев, но с увеличением угла заноса прижимная сила и, следовательно, сцепление, стремительно падают, в результате чего автомобиль становится неуправляемыми. Это другая причина, по которой большие углы заноса неприменимы на современных гоночных болидах.

Примечание переводчика. После гибели Жиля Вильнева в 1982 г. применение ground-эффекта в «Формуле-1» было запрещено.

Спортивные автомобили и особенности их вождения
Пол Фрере