В этой ветке, и не только, не раз говорилось про шины, подвески, аэродинамику, стили пилотирования… Но одно понятие, на мой взгляд, осталось несколько туманным, хотя практически все понимают, что это такое, пока об этом не начинают говорить.
Баланс.
В общем смысле под балансом понимается соотношение уводов шин на передней и задней осях. Но если вспомнить про развесовку болида, то это тоже баланс… А если не забыть ещё и про распределение аэродинамических сил, то всё становится окончательно запутанным.
На самом деле важным как для пилота, так и для инженеров, является то, на какой скорости и в повороте какого радиуса шины какой оси начинают терять сцепление. Если первыми скользят передние шины – значит, баланс смещён в сторону недостаточной поворачиваемости. Если сначала скользят задние шины – баланс «избыточный». Если одновременно – то «нейтральный».
Картина взаимодействия шин с поверхностью трассы и характер распределения нагрузки на каждую из шин в зависимости от условий движения – вещи довольно сложные. В статике всё понятно, а вот в динамике – не совсем.
Нагрузка в повороте перераспределяется с внутреннего колеса на внешнее в результате воздействия силы инерции на центр тяжести болида. Но это слишком примитивная для расчётов модель. Корпус болида (подрессоренные массы) недостаточно охарактеризовать только центром тяжести (масс). На болид воздействуют не только силы, но и моменты… Любое тело сложной формы обладает моментом инерции, который зависит от выбранной оси вращения, проходящей через центр тяжести этого тела. В качестве характеристики такого объекта используются две главные оси: минимума (относительно которой момент инерции тела минимален), и максимума, относительно которой момент инерции максимален. Эти оси перпендикулярны друг другу, и главная ось инерции (минимума), как правило, располагается в продольной плоскости симметрии болида. При воздействии силы инерции на болид общую реакцию тела можно разложить на две составляющие, каждая из которых воздействует на свою (переднюю или заднюю) ось пропорционально распределению веса по этим осям и расположению в пространстве главной ось минимума инерции.
Но сложности на этом не заканчиваются, если автомобиль имеет подвеску.
Как известно, кинематика подвески характеризуется мгновенными центрами крена каждой оси, и взаимное их положение определяет положение мгновенной оси крена автомобиля. Взаимное расположение главной оси (минимума) инерции и оси крена спортивного автомобиля определяет характер их взаимодействия под влиянием боковых сил. Картину усложняет то, что положение оси крена меняется при рабочем ходе подвески, равно как и положение главной оси инерции. Задавая расположение этих осей конструктор может корректировать характер потери сцепления шин автомобиля.
Или, к примеру, если центр тяжести болида расположен ниже оси крена, то при воздействии силы инерции на центр тяжести в повороте возникает момент этой силы относительно оси крена, который действует в противоположном направлении моменту силы инерции относительно точек контакта шин с поверхностью трассы. То есть имеет место «противокреновая» геометрия подвески. Если же оси крена и инерции пересекаются (как на рисунке), то под воздействием силы инерции в повороте главная ось крена стремится отклониться от вертикальной плоскости симметрии автомобиля внутрь поворота (болид стремится «довернуть» в сторону поворота). То есть картина сложна, и имеется множество как «удачных», так и не удачных комбинаций.
Касаемо баланса, имеет значение соотношение жесткости передней и задней подвесок (вертикальной и угловой) распределению веса по осям автомобиля. Если угловая жесткость на одной из осей будет меньше, чем диктует развесовка, то при воздействии боковых сил продольная ось болида будет наклоняться в сторону оси с меньшей угловой жесткостью.
Вышеперечисленные факторы (развесовка, свойства шин, аэродинамический баланс, геометрия и кинематика…) оказывают влияние на характер потери сцепления спортивным автомобилем. Давайте посмотрим, как на это влияют различные факторы, с помощью использованного мной ранее метода моделирования сцепления шин, расширив сферу расчётов на обе оси спортивного автомобиля.
В качестве точки отсчёта возьмём «идеальный» болид с развесовкой 50/50, с одинаковой высотой центров тяжести на осях в 0,15 м, с нулевой прижимной силой. Колея передних и задних колёс – 1,6 м. Для простоты взаимным влиянием осей крена и инерции пренебрегаем, считая, что они совпадают.
Горизонтальная ось – радиус кривизны траектории (мгновенный радиус поворота), правая вертикальная ось – коэффициент поворачиваемости (1 – нейтральная, менее одного – недостаточная, более одного – избыточная). Сплошная линия графика – максимально возможная скорость автомобиля при данной кривизне траектории, «пустотелая» линия – характер поворачиваемости в зависимости от мгновенного радиуса кривизны.
Левая вертикальная ось – скорость потери сцепления автомобиля, которая определяется скоростью срыва «слабой» оси (при недостаточной поворачиваемости – передней, при избыточной – задней). Величина коэффициента поворачиваемости – это отношение скорости срыва передней оси к скорости срыва задней. Каждая точка расположенного выше графика – результат примерно такого расчёта:
Как видно, при «половинной» развесовке (серые линии графиков) и одинаковых геометрических параметрах подвесок по осям имеет место нейтральная поворачиваемость во всём диапазоне радиусов кривизны траектории.
Если мы изменим развесовку в сторону задней оси в соотношении 60/40 (красные линии графиков), то ничего катастрофического не произойдёт. Скорость весьма незначительно снизится, а тенденция к избыточной поворачиваемости, заметная в медленных поворотах, с ростом радиуса поворота будет постепенно уменьшаться.
Давайте теперь добавим прижимной силы до 4 единиц (произведение Cy*S - коэффициента прижимной силы на площадь аэродинамических элементов) в соотношении по осям 50/50 – синие графики. И тут получается очень интересно: появление прижимной силы значительно увеличивает предельную скорость (что не удивительно), но тенденция к избыточной поворачиваемости не только существенно возрастает, но и вместо постепенного снижение с увеличением радиуса/скорости в повороте имеет место резкое её нарастание…
Вывод: с увеличением прижимной силы «перекос» в балансе болида в сторону, в которую смещён центр масс, увеличивается быстрее роста прижимной силы. Чем более сбалансирован болид в конфигурации с высокой прижимной силой – тем он совершеннее. Для болида формулы-1 это означает, что чем больше прижима сзади - тем лучше болид.
Для компенсации этого явления логично было бы изменить распределение прижимной силы по осям пропорционально развесовке. В авиации есть понятие аэродинамического фокуса, т.е. точки приложения суммарной аэродинамический силы (по аналогии с центром масс). Чтобы компенсировать смещение массы болида, делим прижим в пропорции 60/40 в пользу задней оси (то есть совмещаем аэродинамический фокус с центром масс болида) и смотрим на зелёные графики. Предельная скорость немного возрастает, распределение поворачиваемости в зависимости от радиуса поворота значительно улучшается, но тенденция к увеличению «избытка» в скоростных поворотах сохраняется. Хорошо, но далеко не идеально… Казалось бы, точка приложения прижимной силы совмещена с центром масс, почему сохраняется "перекос" в балансе? Дело в шинах. Точнее, в нелинейной зависимости их способности создавать боковую силу от приложенной нагрузки.
Давайте предпримем следующее: для компенсации избыточной поворачиваемости немного уменьшим колею передних колёс с 1,6 м. (серые линии на следующем графике) до 1,55 м. (красные линии), а так же поднимем высоту центра тяжести передней оси до 0,25м.:
Предельная скорость незначительно выросла в скоростных поворотах, слегка упав в медленных, а вот линия поворачиваемости стала гораздо «правильнее), хотя нарастание «избытка» в скоростных поворотах всё же сохранилось.
Чтобы понять тенденцию, увеличим прижим до 4,5 единиц, а заодно сместим развесовку немного ближе к идеальной – 58/42 вместо 60/40 (синие линии графиков). Как видно, скорость выросла, хоть и незначительно, во всём диапазоне, а распределение поворачиваемости не сильно испортилось.
Следует сказать, что выбранный уровень прижима до сего момента больше соответствовал скоростным поворотам. Давайте посмотрим, что произойдёт, если настройки аэродинамики будут на медленные повороты. Уровень прижима увеличим до 8 единиц с распределением 60/40, колею передней оси вернём до величины 1,6 м., развесовка – 58/42 (зелёные графики). Скорость в медленных и средних поворотах весьма существенно выросла, а вот в высокоскоростных поворотах (с радиусом кривизны более 100 м.) стала меньше, чем в случае меньшего уровня прижима. Тенденция к избыточной поворачиваемости ожидаемо нарастает гораздо сильнее по мере увеличения радиуса поворота.
С одной стороны, это говорит о том, что болид с высоким уровнем прижима может быть нестабильным на высоких скоростях. Этот вариант больше подойдёт пилотам, предпочитающим избыточный баланс.
С другой стороны, по графику распределения предельной скорости в зависимости от радиуса кривизны траектории можно судить не только о тенденциях в поворотах определённых радиусов, но и о характере болида при движении от апекса к выходу из поворота, когда радиус мгновенной кривизны также нарастает до бесконечности при выходе на прямую. Одни пилоты предпочтут высокую скорость на апексе при некоторой нестабильности болида перед самым выходом на прямую, другие будут компенсировать недостаток скорости на апексе «глубоким входом» с поздним апексом, растягивая участок разгона, рассчитывая на устойчивость болида в начале прямой.
Как итог, болиды формулы-1 тем больше требовательны к прижимной силе на задней оси, чем сильнее их развесовка смещена назад. По сути, успешное решение этих двух задач (увеличение прижима сзади и приближение распределения веса к нейтральному) и определяет, на сколько удачным окажется шасси той или иной команды. И, что немаловажно, насколько шасси будет подходить тому или иному пилоту…
Вспомним историю с переносом вперед рычагов передней подвески для Михаэля Шумахера в Мерсе. Это «мероприятие» позволило значительно сместить развесовку болида в сторону задней оси, изменив характер поворачиваемости в сторону избыточной.