На вираже

Умение проехать поворот с наибольшей, но безопасной скоростью рождается постепенно в результате тренировок, при­обретения опыта, подкрепленного врожденными предрасположенностями водителя в этом направлении. В эффективном приобретении этого умения может помочь знание физических явлений, возникающих при движении на повороте, и рассмотре­ние системы сил, действующих в таких условиях на карт.

Рассуждения будут проводиться с некоторыми упроще­ниями, позволяющими популярно изложить проблему. Однако надо подчеркнуть, что выводы из этих рассуждений, справед­ливые по отношению к автомобилям, тем более справедливы по отношению к карту. Карт лучше подходит под принятые упрощения, важнейшим из которых является предположение, что отсутствует амортизация машины.

Движение с боковым уводом колес

Сначала рассмотрим поведение карта при небольших ско­ростях. Предположим, что карт движется по дуге с малень­кой скоростью и центробежная сила практически отсутствует (рис. 12.7). Передние колеса повернуты на некоторый угол р. Можно предположить, что угол поворота обоих передних колес одинаков, хотя, как мы знаем, это не совсем так. Центр масс карта будет описывать дугу с радиусом, несколько большим радиуса кривизны дороги. Радиусы дуг, описываемых передни­ми колесами, будут несколько больше радиусов дуг задних колес.

Рис. 12.7. Движение карта на повороте:

а — без увода; б — с уводом; 1 — мгновенное направление движения; 2 — траектория движения центра тяжести; 3 и 4 — траектории движе­ния соответственно задних и перед­них колес; а — угол увода; B — угол поворота передних колес

Теперь увеличим скорость движения настолько, чтобы появи­лась заметная центробежная сила. Оказывается, что карт начнет двигаться асимметрично по отношению к теоретической траекто­рии, но без бокового заноса. Явление асимметричного положе­ния относительно теоретической траектории наступает раньше, чем боковой занос колес. Оно называется уводом карта. Увод определяется углом между плоскостью заднего колеса и направ­лением движения (касатель­ным к траектории движения в каждой ее точке). Этот угол обозначим а.

При движении без увода (рис. 12.7, а) карт повора­чивается относительно не­которого теоретического цент­ра вращения О,. При движе­нии с уводом (рис. 12.7, б) теоретический центр враще­ния 0, сместился вправо и перестал иметь физическое значение, хотя его положение относительно карта не изменилось. Карт, а точнее его центр масс, поворачивается вокруг нового центра вращения 0_Р, который занял место точки О_p.

При быстром движении на повороте, но еще без скольжения, плоскости задних колес образуют с направлением движения угол а, а плоскости передних колес — угол а плюс угол поворота колес B. Начиная движение с уводом, карт поворачивается вокруг своей вертикальной оси, проходящей через центр тяжес­ти. В результате этого передние колеса находятся ближе к внут­реннему краю трассы, чем при небольшой скорости, когда увод практически отсутствует.

Увод карта вызван деформацией протекторов шин в попереч­ном направлении под действием центробежной силы. В значи­тельной мере он зависит от характеристик шины. Шина с высо­ким протектором, слабо накачанная, будет приводить к большему уводу, чем сильно накачанная шина с жестким низким про­тектором.

Центробежная сила, которую в дальнейшем будем обозна­чать буквой С, вызывает увод карта. Но шины обладают доста­точно большой жесткостью и упругостью. В результате этого возникает сила реакции шины, обозначаемая далее R, действую­щая перпендикулярно к плоскости колеса в направлении к центру дуги, описываемой картом. Она тем больше, чем больше будет угол увода а.

Сила R возрастает только до момента достижения предель­ного угла увода а_гпах= 15-f-18°. За пределами этих значений начинается боковое скольжение шин, и сила реакции перестает возрастать и даже уменьшается: при скольжении коэффициент трения шины снижается.

Значение предельного угла увода зависит от конструкции карта, распределения массы карта на колеса, коэффициента трения шины, а также от ширины шины, вида протектора и давления воздуха в шине.

Значение a_max можно, хоть и в небольших пределах, регу­лировать путем подбора соответствующих шин. Применяемые все еще в Польше для картов сельскохозяйственные шины из-за их профиля, небольшой ширины и материала протектора позво­ляют получать большой угол увода. Угол увода можно умень­шить, установив эти шины на расширенные диски колес. Наибольшее сцепление с дорогой, но небольшой угол увода мож­но получить, применяя специальные широкие шины.

Явление увода карта предшествует боковому заносу. Совре­менные картинговые шины, жесткие, с очень низким протекто­ром, допускают незначительный увод карта, поэтому потеря сцепления (скольжение) начинается неожиданно, без предшествующих ей в обычных условиях симптомов. Езда на таких шинах требует от гонщика большого опыта и умения чувство­вать поведение карта на поворотах.

Влияние вида шин на то, как карт «держится» на поворотах, можно наблюдать на любых гонках. Если у нас нет комплекта четырех хороших шин для карта, то шины, дающие наибольший критический угол увода, установим на передние колеса, благо­даря этому боковой занос у них начнется позже, чем у задних. Это облегчит управление картом на скоростных поворотах.

Динамика карта на вираже

Как мы уже говорили, на карт, едущий по дуге, действует центробежная сила С, уравновешиваемая силой реакции шин R. Рассматривая только одно колесо, мы говорим о силе реакции шины, которая вызвана частью центробежной силы, при­ходящейся на это колесо. Говоря дальше о центробежной силе С, будем иметь в виду именно эту часть общей центробеж­ной силы.

Силу R, перпендикулярную плоскости колеса, можно разло­жить на две силы (рис. 12.8): силу Р, перпендикулярную направлению движения карта, и силу N, направленную назад вдоль направления движения. Тогда сила Р будет уравнове­шивать центробежную силу С, сила N — это сопротивление качения.

Рис. 12.8. Силы, действующие на колесо во время свободного качения по дуге с уводом:

а — сила реакции шины; б — разложение силы R на составляющие; l— направления движения

Если центробежная сила С превысит силу Р, то угол увода превысит критическое значение a_mах и начнется скольжение колеса (занос). Если сила Р станет больше центробежной силы С, то это приведет к уменьшению угла увода и, следова­тельно, к возврату колес на нормальную траекторию движения.

Если карт движется по дуге с такой скоростью, что угол увода составляет а, а передние колеса повернуты на угол р (рис. 12.7), то центр тяжести карта движется по нужной нам траектории, а сам карт, несмотря на асимметричное положение, выполняет правильный поворот. Увеличивая скорость карта до тех пор, пока центробежная сила С не превысит силу сцепления шин с поверхностью дороги, мы вызовем скольжение карта по нормали по отношению к предварительно определенной траекто­рии движения. В этом случае единственное спасение — умень­шение скорости до такой, при которой сила С будет меньше силы Р.

При движении с уводом передние колеса повернуты несколько больше, чем это следовало бы из кривизны дуги. Именно благо­даря уводу карт удерживается на нужной траектории при большем повороте колес. Уменьшение скорости карта в этом слу­чае при неизменном угле поворота передних колес приведет к уменьшению увода. Карт изменит траекторию движения, ко­торая теперь будет ближе к траектории, определяемой поворотом колес. Если мы не изменим поворот колес, то карт выедет на внутренний край трассы.

Рассмотрим, что будет происходить, если к нашей схеме, кроме центробежной силы С и силы реакции шин R, добавить силу тяги F (рис. 12.9). Эти три силы всегда должны находить­ся в равновесии (даже при скольжении), причем сила С стремит­ся вытолкнуть карт наружу, а если силы R и F противодействуют этому, удерживает карт на траектории.

Рис. 12.9. Силы, действующие на колесо при ускорении:

а — приложение силы тяги F; б — приведение силы F к направлению движения l (сила Q)

Силы R и F можно суммировать (рис. 12.9, а), получив результирующую силу W. Силу W, в свою очередь, можно разложить на две силы (рис. 12.9,б): силу Р, перпендикулярную плоскости колеса и уравновешивающую центробежную силу С, и на силу Q — силу тяги в направлении движения карта. Увели­чение силы тяги F приводит к увеличению силы Р, способной уравновесить центробежную силу С, возросшую в результате ускорения движения.

Водитель, умело увеличивая или уменьшая силу тяги, т. е. умело оперируя педалью газа, может вести карт на повороте, сохраняя постоянный угол поворота передних колес и изменяя только тягу и угол увода а.

Возникает вопрос: какую силу тяги F надо приложить к колесу, чтобы результирующая сил F и R была равна силе Р, уравновешивающей центробежную силу? Посмотрим на рис. 12.10, и ответ напрашивается сам: сила тяги должна придать карту такую скорость и такой угол увода, чтобы сила W = P не превы­сила силу сцепления шины с поверхностью дороги. Напомним, что сила трения равна произведению веса, приходящегося на это колесо, на коэффициент трения. Именно при таких условиях мы преодолеем поворот с наибольшим допустимым углом увода, но без скольжения и за наименьшее время.

Рис. 12.10. Угол увода а и ско­рость карта должны быть такими,

чтобы сила W=P не превысила силы С:

l — направление движения

Трудно требовать от спортсмена, чтобы он во время гонки имел перед глазами систему сил, действующих в данный момент на карт, и соответствующим образом управлял им. Но знание даже этой упрощенной теории движения на повороте позволит сделать выводы, имеющие практическое значение.

Возникает следующий вопрос: повороты надо проезжать с га­зом или без газа? Снова рассмотрим систему сил. Предполо­жим, что, двигаясь вначале при полном равновесии сил (см. рис. 12.9, а), мы уменьшим силу тяги F до нуля, выключив, напри­мер, сцепление. Сила F изчезнет с рис. 12.9, а, останется только сила реакции шины R (равная теперь силе W). Силу R можно снова разложить на две силы (см. рис. 12.8, б), получив силу Р меньшую, чем если бы все время действовала сила тяги F (см. рис. 12.9, б). Сле­дователь, сила Р вдруг уменьшилась и стала меньше, чем еще не успевшая измениться центробежная сила С. Результат — немедленное боковое скольжение карта.

Аналогичные рассуждения можно провести для случая частично сброшенного газа. Конечно, изменение силы Р в этом случае будет пропорционально меньше. Но при движении карта на грани скольжения даже такое небольшое изменение может привести к опасному заносу карта.

Еще опаснее может оказаться снятие ноги с педали акселе­ратора без выключения сцепления. Благодаря тормозящему действию двигателя сила F в этом случае будет направлена назад (рис. 12.11). Результирующая сила будет направлена вбок — назад, и сила Р не будет в состоянии уравновесить центробежную силу С, что приводит к скольжению.

Из вышесказанного следует, что водитель не должен умень­шать силу тяги колес при движении на повороте на грани сколь­жения. Это приведет к немедленной потере контроля над маши­ной. Водитель должен начинать поворот со скоростью, при которой центробежная сила не превысит силы Р, и поддержи­вать эту скорость до окончания поворота, изменяя соответствую­щим образом силу тяги. Допустимо ускорение на второй части поворота, но при условии одновременного увеличения радиуса поворота, т. е. уменьшения угла поворота передних колес B

Обратим внимание на то, что большой угол а вызывает увеличение сопротивления движению (рис. 12.8, б, сила N) и уменьшение силы Р, уравновешивающей центробежную силу С. Намеренно увеличивая угол а, мы можем в значительной степе­ни затормозить карт.

Рис. 12.11. Силы, действующие на колесо при торможении:

а — приложение отрицательной силы тяги F, направленной назад;

б — приведение силы F к направлению движения l (сила Q)

Некоторые гонщики используют этот метод перед каждым по­воротом, искусственно располагая карт под большим углом к на­правлению движения. Этим они добиваются уменьшения ско­рости и въезжают в поворот уже с заносом. Такая техника управления картом не рекомендуется, потому что она не дает никакого преимущества над гонщиками, использующими «нормальную» технику преодоления поворотов, но повышает опасность. Даже самый лучший гонщик не сможет безошибочно оценить, в какой момент надо вызвать занос, как и не сможет точно вычислить необходимое значение заноса. Если водитель начинает действовать слишком рано, маневр не дает желаемого результата; опоздав с маневром, можно оказаться за пределами трассы.

Можно было бы рассмотреть влияние догружения задних колес и разгружения передних при ускорениях, но из-за низко расположенного центра масс это влияние можно не учитывать.

На всех картах задние колеса нагружены значительно боль­ше, из-за этого на повороте угол увода задней оси больше, чем передней. Поэтому заднюю часть карта начинает развора­чивать наружу, и, чтобы удержать карт на выбранной траекто­рии поворота, необходимо соответствующим образом повернуть его передние колеса.

С учетом коэффициента трения шин и поверхности дороги надо всегда стремиться ехать там, где коэффициент трения будет наибольшим. Как правило, наибольшее сцепление будет на той части трассы, по которой обычно едут гонщики. Полоса эта обычно вычищена, иногда покрыта тонким слоем прилипшей к поверхности резины, стершейся с шин. Съезжая с этой полосы, надо учитывать, что сцепление с поверхностью дороги может значительно упасть. Надо избегать песка, грязи, скользкой поверхности, ну и, конечно, нашего врага номер один — пятен масла. Они наиболее опасны, предательски маскируются так, что издали их заметить очень трудно.

Некоторые используют определение «контролируемое четы­рехколесное скольжение». Это определение неверно, потому что скольжение четырех колес не может быть контролируемым, водитель теряет в этом случае всякое управление. Можно, например, управлять небольшим скольжением задних колес, при котором передние колеса не скользят. В этом случае скольже­ние задних колес не контролируется, а маневры передними коле­сами имеют цель привести движение в соответствие скольжению задних колес, чтобы движение карта оставалось стабильным.

Избыточная и недостаточная поворачиваемость

В зависимости от поведения карта на повороте, определя­емого некоторыми конструктивными особенностями, можно опре­делить два основных типа машин. Избыточной поворачива-емостью называется такое поведение карта на повороте, при котором его задняя часть стремится оказаться снаружи дуги. Недостаточная поворачиваемость характеризует такое поведение карта, при котором наружу дуги поворота сносит передние колеса, несмотря на то, что они повернуты соответствующим образом. Можно сказать, что карт обладает недостаточной или избыточной поворачиваемостью. Следует заметить, что мы говорим о поведении карта на повороте при движении без тяги и торможения.Идеальной конструкцией был бы карт с нейтральной устойчивостью, не имеющий недостаточной или избыточной пово-рачиваемости. Такой карт, преодолев границу сцепления, начал бы равномерно скользить всеми колесами. Некоторые отклонения от столь идеального поведения карта на вираже можно полу­чить, прикладывая или убирая силу тяги от колес задней оси.

Характер устойчивости карта в первую очередь обусловлен распределением массы карта и водителя между осями и условия­ми взаимодействия шин с поверхностью дороги. На любом карте задняя ось нагружена больше, на нее приходится около 2/3 массы карта и спортсмена. Карт, как правило, должен иметь избыточную поворачиваемость, если протекторы шин имеют примерно одинаковые характеристики. Наблюдаемая в не­которых «случаях недостаточная поворачиваемость объясняется обычно не конструкторской идеей, а неправильно подобранной геометрией установки и поворота передних колес. Такой карт поворачивается тяжело, передняя часть у него стремится за пре­делы траектории поворота, причем увеличение угла поворота передних колес ни к чему не приводит. В такой ситуации некоторую помощь может оказать приложение силы тяги к задним колесам.

Предельная скорость на вираже

Зная теоретические законы физики, которым подчиняется движение карта на повороте, определим наибольшую скорость, при которой еще не будет бокового заноса машины.

Сила трения шин по поверхности дороги T=Gu или равна суммарному давлению всех колес карта на дорогу, умноженному на коэффициент трения. Сила трения противодействует центро­бежной силе С, старающейся вытолкнуть карт за пределы дуги поворота. Предельной на вираже будет такая скорость, при которой сила трения равна центробежной силе. Центробеж­ная сила C = mv²/r, где т — масса карта, и— скорость, г — радиус поворота. Из этой формулы следует, что увеличение скорости приведет к значительному росту центробежной силы, которая является функцией квадрата скорости.

При предельной скорости на повороте сила трения Т равна центробежной силе С (Т = С). Помня, что масса равна давле­нию карта на дорогу (весу), деленному на ускорение силы тя­жести g = 9,81 м/с², можно получить, что v = 1/2gur. Приведя в другую систему единиц получим, что v = 3,6 1/2 9,81цг , км/ч. Зная радиус поворота (который легко измерить) и коэф­фициент трения, легко определить, с какой скоростью можно проехать поворот без скольжения шин по дороге. Чтобы не тратить времени на расчеты, скорость можно определить по диаграмме (рис. 12.14), построенной на основании приведенной выше зависимости.

Надо помнить, что это теоре­тические расчеты, сделанные в предположении идеальных до­рожных условий. На практике нам пришлось бы внести массу поправок, учитывающих наклон дороги, изменение вида поверх­ности на повороте, атмосферные условия и многие другие фак­торы, вытекающие из конкрет­ной дорожной ситуации. Столь точный расчет нецелесообразен, а иногда и невозможен. Диа­грамма, показанная на рис. 12.14, позволяет примерно оце­нить граничную скорость на по­вороте при различных условиях.

Рис. 12.14. Предельная ско­рость на повороте:

1 — мокрая брусчатка; 2 — мок­рый асфальт; 3 — сухая брус­чатка;

4 — мокрый бетон; 5 — сухой асфальт; 6 — сухой бетон