Динамика подвески: стопами Кэрролла Смита. Повесть о балансе. Книга 3

Что наша жизнь? – Игра! (Вместо предисловия)

Каждая трасса требует своих настроек подвески. Соотношение сил сжатия и отдачи обычно не меняется. Равно, как и соотношение демпфирующих сил в передней и кормовой части спорткара. Однако суммарная амортизация – величина переменная: в зависимости от характера трассы, а также от динамики подвески.

Сегодня в мире профессионального автомобильного спорта трудно кого-то чем-то удивить. Общие компоновки болидов-одноклассников бывают близки – как однояйцевые близнецы! Естественно, сей факт позволяет различным производителям изготавливать элементы подвески весьма схожих характеристик. И тем не менее, у некоторых автомобилей всегда есть свои "пунктики", которые можно устранить умной и технически грамотной работой, например, с амортизаторами.

Гоночные автомобили с неразрезным мостом характеризует жесткая деформация задней оси при максимально активном торможении. Одно из слабых мест спортпрототипа Legends 600 – сайлент-блоки задних параллельных тяг… А теперь послушаем-ка Кэрролла Смита:

"В течение многих лет мы объясняли эту тенденцию к ударной деформации реакцией на тормозной момент. Мы перепробовали все: от трех продольных реактивных тяг (которые до сих пор живут у нас на "Легендах", – примечание автора), – до горизонтально установленных амортизаторов, направленных вперед от оси. Ничего не помогало! Плюнув, мы перенастроили тормозной баланс на передние колеса (около 80%), чтобы хоть как-то сохранить контроль. Тем не менее, тесты с нормальным балансом тормозов продолжались. Вдруг мы поняли, что на ровных трассах, а также с изношенными амортизаторами ударная нагрузка значительно уменьшилась. И тут нас осенило: проблема заключалась вовсе не в горизонтальном колебании оси, а в вертикальных "скачках", вызванных слишком сильным демпфированием при малых перемещениях и низких скоростях поршня! Немного перестроив работу клапана на низких скоростях, мы избавились от проблемы и вернули баланс тормозов. А вместе с этим и хорошую управляемость.

Важно понимать, что тем самым мы снизили общее демпфирование и скорость перемещений подвески. Этого потребовал Баланс, благодаря которому мы получили и отличное время на круге, и стабильную скорость, и довольную улыбку на лице тест-пилота!.."

Ну а теперь мы начнем с самого начала.

Часть 1. Колесо и пружина: взаимные деформации

Метод «С точностью до наоборот»

Дабы сцепление между пятном контакта шины и поверхностью трассы было как можно более непрерывным, и чтобы избежать серьезной тряски машины и/или водителя, – автомобили так или иначе должны иметь пружины. Пружины позволяют колесам изменять свое местоположение в ответ на ускорения, то есть они выполняют функции амортизаторов сжатия, или демпферов (Не путать с работой штатных амортизаторов, особенности и функции которых мы обязательно рассмотрим во второй части этой книги).

Продольные ускорения и трансформация веса приведут к вертикальному перемещению подрессоренной массы, а центробежное ускорение обеспечит ее крен. Неровности дорожного покрытия влекут за собой вертикальное отклонение неподрессоренных колес по отношению к шасси. В целом же, следствием трансформаций станет изменение развала колес и, кроме того, накопление большого количества энергии в пружинах. Если штатные амортизаторы не позаботятся о накопленной энергии и не погасят ее, то автомобиль поскачет по дороге, как кузнечик с потерей ориентации. Естественно, что говорить о каком-то сцеплении шин, равно как и о комфорте поездки, в этом случае уже не придется. Впрочем, как уже было сказано, об амортизаторах мы побеспокоимся чуть ниже.

Величина вертикальной деформации шины, вызванной данным ускорением и, в итоге, трансформацией веса, определяется сопротивлением шины скорости деформации, выраженным в фунтах силы, необходимой для прогиба на один дюйм, и измеренным по осевой линии колеса. Сопротивление крену шасси, заданному центробежным ускорением, определяется противодействием автомобиля количеству крена, выраженному в фунтах силы, необходимой для сопротивления на одну степень крена (фунт силы, или фунт-сила (символ: lbf), – это единица силы, используемая в некоторых системах измерения, включая английские инженерные единицы. Все ж таки в основе нашей работы лежат труды американского писателя. Кроме того, с точки зрения наших целей эти числа и единицы их измерения не имеют принципиального значения). Сила противодействия возникает за счет сжатия внешних повороту пружин при крене, а также за счет сопротивления стабилизаторов поперечной устойчивости. О стабилизаторах мы также поговорим несколько позже.

Наш подход к вопросу о скорости перемещений (изменений статичного состояния) колеса и пружины будет отличаться от обычной практики в двух отношениях:

1. Мы будем считать, что подрессоренная масса перемещается, а колесо остается на уровне дорожного покрытия. Именно так происходит на большинстве гоночных трасс в реальной жизни. С точки зрения гражданского автомобиля и обычной дороги, конструктор пытается достичь своего идеала – чтобы подрессоренная масса оставалась устойчивой на одном уровне, в то время как колеса прыгали вверх и вниз в соответствии с ухабами и ямами. На большинстве гоночных трасс ухабы и неровности дорожного покрытия относительно незначительны и в любом случае являются частным, хоть и весьма неприятным, случаем. Конечно же, мы должны учитывать неровности, которые может предложить отдельная трасса; однако эти неприятные сюрпризы гораздо менее значительны с точки зрения времени прохождения круга, нежели реакция автомобиля на трансформацию веса, связанную с тремя основными ускорениями. Очевидно, что чем больше гоночная трасса походит на "кочкодром", тем более значимой будет реакция неподрессоренной массы. Ухабы и вовсе становятся критичными в гонках по бездорожью! Технически нет разницы, с какой точки зрения подходить к вопросу. Думается, что проще визуализировать ситуации, когда шасси перемещается в вертикальной плоскости, а не стремится к покою, как в случае с гражданским автомобилем.

2. Мы не будем рассматривать коэффициент сопротивления самих пружин. Разве что в качестве фактора, определяющего степень деформации шины и количества крена. Коэффициент упругости пружины просто не является приемлемой основой для сравнения, поскольку в приоритете остается реакция колеса и/или стабилизатора поперечной устойчивости. Мы не сможем адекватно сравнивать (по единому основанию) эффективность (скорость сжатия) передних пружин нашего Legends 600 с их эффективностью на чужом «Шорткате», поскольку механические характеристики и параметры установки пружин различаются. Мы должны сравнивать по колесу!

Колебания колеса и пружины

Если бы мы смогли установить пружину непосредственно над центральной линией шины и смогли бы установить ее вертикально, то скорость вертикальных колебаний колеса была бы равна скорости перемещения пружины (Рисунок 1).

Однако мы не в состоянии получить такой результат. Пружина должна быть установлена внутри центральной линии шины, обычно на некотором значительном расстоянии, и, как правило, она также должна быть наклонена под некоторым углом к вертикали. У нас есть два основных варианта, проиллюстрированных рисунками 2 и 3.

Мы можем установить "внешнюю" пружину в обычном положении, прикрепив верхнюю опору к шасси, а нижнюю – либо к поперечному рычагу, либо к оси ступицы; в ином случае мы можем установить пружину внутри и приводить ее в действие с помощью коромысла, которым обычно служит верхний поперечный рычаг. При любом варианте, поскольку мы применяем плечо рычага к пружине, скорость колебаний колеса будет меньше скорости трансформации витков пружины; а линейное расстояние, пройденное колесом по вертикали, всегда будет больше, чем сжатие или растяжение пружины. Давайте попробуем определить взаимозависимость между скоростью колебаний колеса и перемещений витков пружины.

Итак, классическая формула гласит, что скорость колебаний колеса равна отношению скорости перемещений пружины на квадрат коэффициента движения.

Мы разобрались с трансформацией колеса и пружины. А коэффициент движения в подвеске автомобиля призван связать величину хода пружины при заданном количестве хода колеса. Математически это отношение хода подвески к ходу колеса. Сила, передаваемая на шасси автомобиля, уменьшается с увеличением коэффициента движения. Важно отметить, что здесь мы уже говорим не о ходе (пройденном в вертикальной плоскости расстоянии) колеса и пружины, но – о скорости этих перемещений! И тогда наша формула примет следующий вид: Скорость перемещений колеса = скорость перемещений пружины (она больше из-за рычага, образованного точками крепления пружины – снаружи и внутри) / на квадрат коэффициента движения. Абсолютный вариант, когда коэффициент движения равен 1, а скорость перемещения колеса равна скорости перемещений пружины, – не возможен. Почему? – Ответ дан в самом начале этой главы. Посему нам приходится искать компромиссный баланс.

На самом деле, существует несколько альтернативных способов определения коэффициента движения. Мы можем измерить его либо непосредственно на автомобиле, либо на чертеже макета в половинном масштабе. Из-за наклонной оси (смотрим рисунок) коэффициент движения не может оставаться постоянным при сжатии пружины. Он может быть либо увеличивающимся, как показано на рисунке 4, либо уменьшающимся, рисунок 5.

Удобный с конструктивной точки зрения, способ расположения верхней подушки (опоры) пружины соосно с верхним шарниром рычага неизменно приводит к снижению скорости перемещений колеса при увеличении его хода. Интуитивно мы понимаем, что такая ситуация не совсем приемлема. Мы хотим, чтобы скорость перемещений колеса немного увеличивалась по мере сжатия пружины – или, по крайней мере, зависимость оставалась линейной. Мы достигаем этого, перемещая верхнюю опору пружины наружу и вверх – как показано на рисунке 4. Если такой тюнинг на существующем автомобиле выходит за рамки наших возможностей, мы можем добиться того же результата либо с помощью пружин с прогрессивными характеристиками, либо с помощью "бампстопа" – амортизатора сжатия, демпфера. Мы рассмотрим обе эти альтернативы, когда будем обсуждать подвеску с возрастающим сопротивлением – с прогрессивными характеристиками.

Скорость перемещений колеса при крене

Мы все прекрасно знаем, что крен шасси ограничивается сочетанием работы пружин подвески, реагирующих на трансформацию веса, и сопротивления стабилизатора поперечной устойчивости. Стабилизатор поперечной устойчивости необходим потому, что (если пружины подвески достаточно жесткие, чтобы ограничить крен до желаемого минимума) скорость колебаний колеса при езде неизбежно будет слишком высокой для стабильной работы шин. Физическое местоположение пружин подвески определяет, какое сопротивление крену они будут оказывать. На рисунке 6 показана единственная пружина, установленная по осевой линии автомобиля. Совершенно очевидно, что сопротивление крену фактически равно нулю, а подрессоренная масса очень нестабильна. Однако, если мы заменим центральную пружину парой разнесенных по сторонам пружин, как показано на том же рисунке 6, то, подобрав нужную скорость колебаний пружин, мы сможем добиться той же скорости перемещений колес, что и раньше; при этом пружины также будут обеспечивать высокую степень сопротивления крену, кроме того, подрессоренная масса будет устойчива.

Естественно, в реальной жизни не так все просто. Мы не получим такого уж сильного сжатия пружин при крене – особенно при тех значениях крена, которые мы готовы терпеть (от 1 градуса до 4 градусов, в зависимости от типа гоночного автомобиля, о котором мы говорим). При двух степенях крена речь обыкновенно идет о чем-то около 0,6 дюйма сжатия пружины – при 400-дюймовой пружине, которая увеличивает сопротивление крену до 240 фунтов. Естественно, что мы сильно хотим избежать предела сопротивления крену со стороны пружин (полное сжатие пружины), которое (сопротивление) уменьшается по мере того, как подрессоренная масса кренится. Опять же, как и в случае сопротивления прямолинейному движению, это вопрос геометрии оси пружины.

Стабилизатор поперечной устойчивости

Итак, рассмотрев реакции колеса, мы, как и было заявлено в первой главе, необходимо приходим к реакциям стабилизатора поперечной устойчивости. Даже при очень низком центре масс и относительно широкой колее нам понадобятся довольно жесткие стабилизаторы, чтобы уменьшить крен шасси до тех пределов, когда мы способны сохранять приличный развал колес. Чем меньше мы хотим, чтобы пружины сопротивлялись крену (чересчур жесткие пружины превратят автомобиль в перекаченный мячик!), тем жестче должны быть наши стабилизаторы, – это их работа. Есть еще один фактор, который играет важную роль, – у нас нет возможности демпфировать действие самих стабилизаторов. Ведь амортизаторы работают только тогда, когда пружины сжаты или растянуты. Чем большую скорость сжатия пружины мы получаем на градус крена шасси, тем больше сил, накренивших подрессоренную массу, будет гаситься амортизаторами. Теоретически, отсутствие демпфирования стабилизаторов может привести к состоянию, называемому "roll rock back", при котором подрессоренная масса раскачивается при крене. Это, конечно, привело бы в замешательство, если б когда-нибудь случилось. Впрочем, Кэрролл Смит утверждает, что лично ему с таким явлением сталкиваться не приходилось: "хотя мне и доводилось иметь дело с довольно устрашающими своим размером стабилизаторами поперечной устойчивости". При любой разумной компоновке, полагаем, стабилизаторы должны были бы приблизиться к легендарным размерам "рем.комплекта для неразрезного моста", прежде чем у нас возникнут проблемы с недостаточным демпфированием при крене!

Бывают, однако, ситуации, когда могут возникнуть реальные проблемы с жесткими стабилизаторами поперечной устойчивости. И первая же – следствие самой природы стабилизатора. Стабилизатор поперечной устойчивости – это не что иное, как торсионная балка, которая с одной стороны прикреплена к подрессоренной массе. С другой же – крепится с каждой стороны автомобиля к элементам подвески. Естественно, через сайлентблоки. Если оба колеса отклоняются вертикально в одном и том же направлении одновременно, как, например, при наезде на лежачего полицейского, или если неподрессоренная масса перемещается вертикально из-за трансформации веса в силу, например, активного торможения, – стабилизатор поперечной устойчивости просто вращается в своих креплениях. Если же подрессоренная масса кренится, стабилизатор сопротивляется на величину, прямо пропорциональную своей жесткости и обратно пропорциональную длине плеча, через которое он действует. Стабилизатор трансформирует (переносит) вес с внутреннего повороту колеса на упорное (нагруженное). В той же манере, отрабатывая на сжатие, трудятся и внешние пружины. К сожалению, когда мы наезжаем на поребрик одним колесом или двумя, но по диагонали, или, не приведи Господи, влетаем одним колесом на бордюр, – стабилизатор понимает это как нападение и – сопротивляется: два колеса больше не являются полностью независимыми, и стабилизатор действует так, как он и должен – трансформирует вес в поперечном направлении. Проще говоря – нагружая колесо, атакующее поребрик! Естественно, что на ухабистом асфальте гоночной трассы, – так называемом "кочкодроме", – может возникнуть ситуация, когда автомобиль скачет и подруливает вслед за ухабами. Понятно, что подобное поведение болида может привести пилота в замешательство. Главное же, что такое вполне может произойти с уже куда меньшим стабилизатором, чем вышеупомянутый "рем.комплект для неразрезного моста". Впрочем, задолго до того, как мы достигнем точки, когда отсутствие независимости колес или трансформация веса на ухабах станут реальной проблемой, мы попадем в ситуацию чрезмерного сопротивления крену. Когда автомобиль начнет поскальзываться в повороте из-за того, что подвеска будет слишком жесткой и потеряет свою чувствительность. И здесь мы снова упираемся в поиск компромиссного решения, – баланса.