Записи с меткой ‘центр тяжести’

Как устроена подвеска современного автомобиля

Если Вы попросите двух водителей – обычного и гонщика – объяснить, для чего существует подвеска, возможно, вы получите два разных ответа. Обычный водитель скажет просто: подвеска служит, чтобы Ваши зубы остались целыми и невредимыми при движении по кочкам. Она создана для удобной, комфортной и безопасной езды. Гонщика Ваш вопрос заставит задуматься и он начнет пространно рассуждать о том, что задача подвески заключается в том, чтобы у колес Вашего автомобиля было хорошее сцепление с дорогой, и Вы смогли бы ехать быстрее. То есть подвеска нужна для лучшего управления автомобилем.

Не удивительно? А ведь они оба правы.

Когда комфорт и управление соответствуют дороге На заре автомобилестроения, когда скорости были низкие, и мощность двигателя была ограниченной, действительно, главным делом было достичь комфортабельных условий поездки. Нужно было разработать такой механизм, который бы позволял колесам интенсивно перемещаться вверх и вниз, в то время как кузов автомобиля двигался бы плавно над дорогой. С началом применения пружин, на которые опирался своим весом кузов, конструкторы добились того, что резкие удары, которым подвергался автомобиль на дорогах того времени, были значительно смягчены.

Другая проблема заключалась в том, что пассажиров укачивало (у них появлялась морская болезнь),и это поубавило энтузиазма по отношению к пружинам, спасавшим от толчков. Да, толчков стало меньше. Но они совершались постоянно и все время. Решение заключалось в том, чтобы изобрести какой-то механизм, который выравнивал бы их воздействие. Понадобились многие годы, чтобы разработать этот механизм, пока конструкторы не пришли к современному амортизатору. И хотя по своей конструкции амортизаторы значительно отличаются один от другого, идея амортизатора универсальна: он позволяет подвеске свободно двигаться при попадании колеса в выбоины на дорогу, но предохраняет от чересчур сильных толчков с помощью сопротивления, оказываемого гидравликой. Это сопротивление создается с помощью прокачки жидкости внутри амортизатора через специальные клапаны. При трении образуется тепло, которое затем уносится воздухом.

Современные Технологии
В настоящее время разработана целая наука о создании пружин и амортизаторов. Так, ее стратегией является, например применение азотистого газа под высоким давлением внутри амортизатора, для лучшей работы и контроля, за тем, чтобы сопротивление было в адекватно каждой конкретной ситуации. Даже такая простая вещь, как стабилизатор поперечной устойчивости, тоже применяется на современных автомобилях. Это выгнутый из пружинной стали пруток особой формы, соединяющий рычаги подвески с одной и другой стороны кузова, чтобы уменьшить его крены и колебания. Есть и другие интересные разработки, применение торсионов и гидропневматических устройств в подвесках, однако основной принцип действия остается неизменным - элементы подвески демпфируют и гасят передающиеся от колес усилия на кузов. Все эти системы призваны решать одну основную задачу: дать возможность каждому колесу поглощать воздействие от попадания колеса в ямку с тем, чтобы было комфортно ехать в автомобиле, и он не трясся по дороге.

Разумеется, имеется гораздо больше элементов подвески чем только пружины и амортизаторы. Нельзя допустить того, чтобы колеса прыгали, как сумасшедшие. Нужно какое-то приспособление, чтобы они были четко зафиксированы на шасси и могли бы реагировать на команды, подаваемые водителем при управлении автомобилем даже на самых больших ямах. Применяются самые разнообразные способы для преодоления этого в зависимости от цены автомобиля и того, для каких дорог он спроектирован. Наиболее распространена подвеска рычажного типа, где в зависимости от конструкции имеется один или несколько рычагов, к которым и крепится поворотный кулак и собственно колесо. И можно сказать только одну плохую вещь о подвесках рычажного типа - они занимают чересчур много места в автомобиле, которое можно было бы использовать для увеличения салона или для других целей. Кроме того, это сложные и дорогостоящие системы.

Необходимо также рассмотреть и альтернативные системы. В настоящее время наиболее широкое распространение получили подвески типа Макферсон. Они состоят всего из нескольких деталей, относительно дешевы в изготовлении и занимают в автомобиле мало места. Самый хороший вариант данной системы почти невозможно отличить от подвесок рычажного типа, когда Вы управляете автомобилем. В "БМВ" применяются подвески Макферсона на передних колесах. Вы не услышите, чтобы кто-нибудь пожаловался, что подвеска плохо работает и от этого хуже качество управления.

Так как водителю не нужно управлять задними колесами, то и наблюдается большее разнообразие в дизайне задних подвесок. Система с единым (неразрезным) задним мостом применялась на заре автомобилестроения. Данная технология Каменного Века все еще использовалась повсеместно пару десятилетий тому назад. Ее и сейчас еще Вы сможете обнаружить у некоторых моделей легковых автомобилей, или у многих грузовых автомобилей. Она работает, хотя и вышла из моды. Но когда задние колеса крепятся на одну ось, то при попадание одного колеса в яму, это сразу сказывается и на другом колесе автомобиля. У машин с независимой подвеской колес такие проблемы просто не возникают. В результате - на них комфортнее ездить и ими лучше управлять.

Но если Вы позволите каждому колесу следовать за всеми неровностями на дорожном покрытии независимо друг от друга, то и это будет не совсем удобно. Колеса, которые зависают в воздухе - даже на короткий момент - не смогут помочь водителю выполнить такие операции, как ускорить движение автомобиля, затормозить или сделать поворот. Имея современные двигатели, тормоза и покрышки, которые могут реализовать большую мощность, идея с колесами, отдельно реагирующими моментально на каждую выбоину, не является приемлемой. Даже гипотетический гонщик никогда бы не стал ратовать за эту идею. Не станет этого делать и обычный водитель, потому что и ему понадобится в критической ситуации при движении на плохой дороге срочно затормозить и сделать остановку. В такие моменты соображения о комфорте уходят в сторону и нужно сделать так, чтобы подвеска помогала водителю полностью контролировать движение.

Тонкая настройка подвески. Часть 1

Мой любимый гонщик, трехкратный чемпион мира Ники Лауда, отвечая на вопрос о секрете его побед, один раз сказал так: «На аналогично настроенном автомобиле я не смогу ехать быстрее, чем любой гонщик мирового уровня, поскольку мы все едем на пределе возможного. Выигрывает тот, кто лучше настроил автомобиль, а значит, много работал и думал».

Для чего настраивают ходовую часть автомобиля? Для того, чтобы улучшить его поведение на скорости, сделать его быстрее. Однако добиться этого вам удастся только в том случае, если вы будете чувствовать разницу между реальностью и мифами, которых, когда дело доходит до настроек, оказывается множество. Действительно, в этом деле есть масса нюансов. Но мы будем говорить о базисных положениях, которые верны для любой гоночной машины, независимо от ее типа, формулы привода или мощности. Зная и применяя эти принципы на практике, можно научиться настраивать любой автомобиль.

Регулировка тормозного баланса.

Известно, что при торможении основной вес перераспределяется на передние колеса. Поэтому передние тормоза, как правило, мощнее задних — им выпадает больше работы. Если поделить тормозное усилие поровну между колесами передней и задней оси, то при перераспределении веса загруженные (и следовательно, имеющие лучшее сцепление) передние колеса будут тормозить недостаточно эффективно, в то время как разгруженные и потерявшие сцепление задние уже заблокируются. Чтобы не допустить этого, на серийных автомобилях устанавливается автоматический регулятор давления, а на большинстве гоночных — ручной, позволяющий не только настраивать тормозной баланс, но и менять его входе гонки.

Тормозной баланс — первое, что надо отрегулировать перед гонкой. Подготовка к этому начинается с прогрева шин до рабочей температуры — в противном случае регулировка ничего не даст, так как при нагреве шин характеристики их сцепления изменятся, и скорее всего вы получите слишком большое тормозное усилие на задних колесах. Внимательно изучив ситуацию по зеркалам и убедившись, что сзади вам не грозит опасность, нажмите на тормозную педаль и давите на нее, пока передние или задние колеса не заблокируются. Как только это произошло, немедленно ослабьте давление, чтобы не испортить шины. Изменяя баланс, вы должны стремиться к тому, чтобы блокировка передних колес наступала чуть раньше, чем задних. При этом не надо уходить в сторону более ранней блокировки передка — это может уменьшить общую эффективность торможения.

Мы установили базисные настройки для торможения на прямой. Однако если техника пилота включает торможение в первой половине поворота, вплоть до апекса, тормозное усилие на задних колесах надо делать еще меньше. Дело в том, что силы, действующие на автомобиль при входе в поворот, сильно разгружают заднюю внутреннюю шину, перегружая при этом внешнюю, снижая их сцепление, что чревато резким заносом. Лучше всего решить эту проблему во время тестов и тренировок, а не на первых кругах гонки.

Чаще всего в гонках используется торможение с включенной передачей, а то и с последовательным переключением передач вниз.
Торможение двигателем, во-первых, помогает при недостаточной эффективности рабочей тормозной системы (свойственной большинству серийных автомобилей), а кроме того, в этом случае меньше вероятность, ошибившись с дозировкой усилия, заблокировать колеса. Однако переключение передач при торможении нарушает весовой баланс автомобиля — он как бы раскачивается в продольной плоскости. Если тормозная система достаточно эффективна, а гонщик может точно чувствовать момент блокировки колес, более эффективным будет торможение на одной передаче или даже на нейтрали! Да-да, на некоторых гоночных автомобилях, например, на американской формуле Атлантик, пилоты вообще тормозят на нейтральной передаче, так как тормозные возможности этих машин просто колоссальны — замедление достигает 3 g. Как это ни странно, но у гонщиков просто не хватает времени на переключение, и они разбивают его на две фазы. Закончив торможение, они просто «втыкают» нужную передачу из нейтрального положения рычага. Естественно, при такой технике торможения баланс настраивается иначе, чем когда замедление осуществляется с включенной передачей.

Перераспределение веса и центр тяжести.

В главе «Тонкое искусство баланса» мы говорили о том, что сцепление шины с покрытием тем больше, чем выше нагрузка на шину. Речь шла о том, что шины могут загружаться при перераспределении веса автомобиля, когда он тормозит, разгоняется или поворачивает. При торможении, например, нагрузка перераспределяется с задних шин на передние, и они получают лучшее сцепление. При разгоне, наоборот, загружаются задние колеса. Но когда одни колеса загружаются, другие разгружаются, и их сцепление падает. Причем чем больше перераспределение веса и чем быстрее оно происходит, тем меньше становится суммарное сцепление шин с покрытием.

Вопреки существующему ошибочному мнению, никто не в силах изменить количество перераспределяемого веса — ни регулировками амортизаторов, пружин, стабилизаторов, ни другими настройками подвесок, препятствующими клевку «передка» или приседанию задней части машины. Количество веса, перераспределяющегося на передние колеса при торможении, определяют три момента: 1. Высота расположения центра тяжести. Вполне понятно, что чем выше центр тяжести, тем перераспределение веса больше. 2. Колесная база. У машины с короткой колесной базой перераспределение веса будет больше, чем у длиннобазной. 3. Насколько эффективно торможение. У машины, развивающей замедление в 3 g, перераспределение веса будет больше, чем у машины с замедлением в 1 g. Представить себе расположение центра тяжести поможет такой пример: если подвесить машину за трос к центру тяжести, то она не будет отклоняться ни в продольном, ни в поперечном направлении (рис. 1). Это относится даже к автомобилю, расположенному вертикально. Он будет находиться в состоянии полного равновесия.

Центр тяжести — это точка, где сконцентрирована масса автомобиля. Важность этой точки в том, что все силы, возникающие при прохождении поворотов, разгоне и торможении, проходят через нее. Если взять два автомобиля с одинаковой колесной базой, то перераспределение веса будет больше у машины с более высоким центром тяжести (рис. 2).
Теперь возьмем два автомобиля с разной колесной базой, но с одинаково расположенным центром тяжести.
У машины с более длинной колесной базой перераспределение веса будет меньше (рис. 3). Таким образом, длина колесной базы — это второй фактор, влияющий на перераспределение веса.

Мы выяснили, что у автомобиля, тормозящего с замедлением в 2 g, перераспределение веса в два раза больше, чем у того, что развивает 1 g. Можно добиться меньшего перераспределения веса, снижая интенсивность торможения, но делать этого никто не собирается — наоборот, любой гонщик старается его усилить. Мы можем передвинуть ниже центр тяжести, уменьшая дорожный просвет (именно поэтому, да еще из соображений аэродинамики, гоночные машины стараются опустить как только возможно низко), но здесь на нашем пути встанут технические требования, ограничивающие минимальный клиренс, и сама жизнь — нельзя ведь, чтобы автомобиль волочился днищем по асфальту. Сделать короче колесную базу тоже вряд ли удастся.

Так что же, мы совершенно не в силах уменьшить перераспределение веса? Уменьшить количество перераспределяемого веса — нет. Но мы можем повлиять на скорость его перераспределения — скорость, с которой этот вес достигает пятна контакта шины с поверхностью трассы. Именно в этом и заключается основной смысл настройки подвески. Но это — тема нашей следующей публикации

Ники Лауда о тормозных колодках:

«Гоночные колодки, как и шины, эффективно работают лишь в определенном диапазоне температур, поэтому их подбирают исходя из конфигурации трассы и погодных условий. Перед стартом колодки требуют специальной процедуры прогрева, а новый комплект нужно еще и прикатать. Важно знать, когда механики поставили новые колодки: во-первых, поначалу их низкая эффективность может стать неприятным сюрпризом, а во-вторых, если колодки не «обтормозить» определенным образом, комплект можно будет просто выкидывать.

Сначала надо медленно разогреть тормоза, начиная торможение намного раньше, чем обычно, и тормозя значительно плавнее. На кольце средней длины на эту процедуру уходит примерно 4 круга. В это время автомобиль тормозит из рук вон плохо, а колодки издают отвратительный запах. После этого колодки нужно испытать в критическом режиме, то есть умышленно перегреть. Для этого на полной скорости нужно два раза подряд затормозить предельно жестко. Педаль при этом становится очень мягкой и почти проваливается. Затем надо проехать один или два круга медленно, чтобы снова остудить колодки, после чего они становятся полностью работоспособными».