Окружность сцепления

Окружность сцепления

Можно ли «на пальцах» объяснить как ехать, используя все 100% потенциала сцепления шин с покрытием трассы? Можно!

Для этого изобразим силы, действующие на машину в повороте при помощи так называемого "трекшн серкл", то есть графического круга сцепления. Для этого нарисуем крест и обведём его окружностью равно удалённой от центра. По сути, это график ускорений G в каждой фазе поворота: торможении, движении по дуге и разгоне. Предположим, что во всех трех фазах шина имеет одинаковый коэффициент сцепления, позволяющий развивать боковые ускорения в 1,1G. Если его превысить, шина начнет скользить, а это, как известно, тормозит машину. На нашем графике это точки пересечения прямых линий креста и окружности. Верхняя часть вертикальной линии – торможение, нижняя – ускорение.

Горизонтальная линия в право и влево от центра – силы в повороте. С другой стороны, если гонщик не использует все возможности сцепления шины, он будет недостаточно быстр. Если полностью использовать возможности сцепления шин в повороте, то график боковых ускорений становится похожим на окружность. Весь фокус состоит в том, чтобы пронести боковое ускорение в 1,1 G через переходные фазы: из торможения в движение по дуге и потом в фазу ускорения, то есть на нашем графике точно по окружности. Чтобы его первая фаза перетекла во вторую без потерь, опытные гонщики применяют прием "трейл брейкинг". Напомню, что так называется торможение с плавным отпусканием педали тормоза одновременно с поворотом руля на входе в поворот. Если при переходе из фазы торможения в фазу движения по дуге скорость упадет пусть даже на мгновенье, значит, упадет и значение бокового ускорение. Потенциал работы шин в этой точке, а значит и запас сцепления, не будет использован полностью на все 100%. Попытка наверстать упущенное в этой фазе поворота, скорее всего, обречена на провал. Более того, даже раннее нажатие на педаль газа вызовет вероятнее всего чрезмерное скольжение шин и оптимального значения бокового ускорения в 1,1G в повороте достичь так и не удастся. Весь секрет в том, чтобы поймать и использовать оптимальное сцепление шин уже на торможении, затем плавно перенести его в движении по дуге и сохранить при разгоне в заключительной фазе поворота. Итак, чтобы ехать по настоящему быстро надо уметь использовать потенциал сцепления шин на все 100% в каждой фазе поворота. Как это происходит и показывает наш график – окружность сцепления.

Вспомним, что гоночная шина развивает максимальное сцепление при движении с углом увода в 8 - 12%, значит, она находится в самом начале скольжения. Так и должно быть, но в какой фазе поворота это скольжение начинается? У начинающего гонщика, как правило, только на выходе из поворота. У «профи», - уже на входе.

Даже еще раньше, на торможении. "Тресхолд брекинг" - это способ агрессивного торможения, при котором колеса не блокируются, но крутятся значительно медленней. Их проскальзывание в этот момент обеспечивает режим максимального сцепления. Все искусство гонщика экстра-класса заключается в том, чтобы с этого момента и до выхода из поворота шины находились именно в этом состоянии (речь идёт о девяностоградусных поворотах и близких к ним по крутизне). Минимальная коррекция рулем, газом и тормозами позволяет сохранять оптимальный угол увода, то есть держать шины в режиме максимального сцепления во всех фазах прохождения поворота. Это и есть движение на грани или в оптимальном режиме. На той грани, о которой мечтают новички и которую очень хорошо видно со стороны тренеру или внимательному болельщику. В первом повороте медленной связки, хорошо видно, что машины лидеров немножко "водит" ( или слегка переставляет) от точки входа в поворот и до его вершины. Это эффект правильного приёма входа в поворот по так называемой траектории “slow down”, которая подразумевает продолжение торможение практически до апекса поворота. Машины более медленных преследователей "водит", как правило, только во второй части поворота, то есть на выходе из него и это совсем другое дело.

Одному гонщику легко почувствовать предел сцепления шин, для другого это может стать большой проблемой. Иными словами, один гонщик может использовать 100% сцепления шин в оптимальном режиме максимально долго в абсолютном значении. Тогда можно минимально скользить и что очень важно, вести машину на пределе, то есть на грани, пусть и не по оптимальной траектории. То есть в каждой фазе каждого поворота на протяжении всей гонки. Это особый гоночный талант, Божий дар, если хотите. А у другого ( или других) это получается не всегда, а эпизодически, в зависимости от обстоятельств. Первый гонщик есть не кто иной, как Михаель Шумахер, а приведенный пример есть секрет его побед. По указанной выше причине, его скорость в начальной фазе входа в поворот и в средней выше на 1-2 км/ч, чем у остальных гонщиков, следовательно, чуточку раньше начинается и разгон. В результате поднимается скорость выхода из поворотов и в конце каждой прямой. Как развить в себе способность так тонко чувствовать автомобиль?

Остряки часто шутят, что это сверхчувствительность "пятой точки". Во всяком случае, так считал когда-то, незабвенный мастер гоночных ньюансов - Ники Лауда, не раз упоминавший об этом в своих высказываниях. Сегодня, гонщик, который чувствует автомобиль «пятой точкой» будет медленным. Времена изменились, а вместе с ними и понимание принципов движения гоночного автомобиля по трассе. А каким чувством в реальности контролируется поведение автомобиля сегодня? Зрением! Представим себе ситуацию, в которой гонщик фокусирует взгляд сразу перед носом своей машины. Если начнется занос задней оси, гонщик, скорее всего, пропустит его начало. А если бы он смотрел как можно дальше, он бы заметил начало заноса намного раньше, по отклонению оси его зрения.

Как узнать пилоту, сможет ли он идти на грани, используя сцепление шин на все 100%, или нет? Очень просто. Если он сможет переступить разумную грань и не потерять при этом машину, значит, он сможет идти и на грани. Звучит излишне пафосно, но на самом деле все просто. Иными словами, если гонщик чувствует и контролирует машину в глубоком сносе или заносе, он сможет нащупать оптимальный угол увода и попробовать использовать потенциал сцепления шин на все 100%. Новичкам поможет такой совет. Если в любой точке поворота повернуть руль круче и машина среагирует на это уменьшением радиуса поворота – значит, еще есть запас. На следующем круге в этом повороте надо ехать быстрее. Если в любой точке поворота изменить траекторию невозможно, а поворот руля в сторону поворота вызывает снос или занос, значит оптимальная грань, где-то рядом.

Очень часто пилоты сваливают огрехи своего пилотирования на настройки машины. А зря! Пока нет уверенности в отсутствии серьезных ошибок в пилотировании, спешить что-либо менять в настройках рано. Это подтверждает рассказ одного из американских гонщиков на формулах Инди. В первой квалификации он показал неплохое время, хотя его болид обладал далеко не самым мощным мотором и грешил недостаточной поворачиваемостью. Он не стал ничего менять в настройках и во второй квалификации полностью сконцентрировался на пилотаже. Он стал входить в повороты немного быстрее, делать "трейл брейкинг" несколько глубже, пытался несколько раньше прибавлять газ и ехать агрессивнее, но вместе с тем, вести машину плавнее. Удалось сбросить целую секунду и квалифицироваться среди соперников на более мощных машинах. Но главное, при этом поведение машины изменилось. Недостаточная поворачиваемость сменилась избыточной! Из этого эпизода можно сделать важный вывод. Никогда не думайте, что предел скорости на данной машине вами уже достигнут, и надо срочно менять настройки. Лучше убедить себя в том, что резервы еще имеются и честно проверить это.

Некоторые гонщики часто пытаются затормозить перед поворотом как можно позднее. Где именно? В самый последний момент и при этом стараются правильно войти в поворот. В этом примере речь идёт о поворотах в девяносто градусов и больше, то есть относительно быстрых, соединяющих две прямые, перед которыми имеет место достаточно интенсивное торможение. Ошибка в том, что попытка позднего торможения чаще всего не удается, так как не хватает времени, чтобы сбалансировать машину. Речь идет о ненужной потере скорости, вернее о том, что гонщик ставит себя в ситуацию, когда у него не хватает времени точно поймать оптимальную скорость на входе в поворот. Ему кажется, что лучше входить в поворот со скоростью немного выше, оптимальной, но на самом деле – это ошибка. Иногда, в этот поворот он входит наоборот медленнее, чем хотел бы.

Это и значит быть быстрым. Многим удается пройти в правильной манере один поворот или показать один быстрый круг. Искусство гонщика состоит в том, чтобы печатать такие круги всю гонку. Как этому научиться? Рассказывает Роман Русинов: «И ещё очень важна стабильность во времени прохождения кругов. Почему меня без тестов взяли в заводскую команду Феррари на гонку Ле Ман эндуранс? Да всё просто, шеф команды попросил прислать телеметрию тестов. Посмотрел, а у меня там 20 кругов в одной десятке секунды. Вообще, грамотному гонщику, всё равно на машине какого типа ехать и в каких условиях! У всех машин четыре колеса и на них действуют одни и те же законы физики на любом покрытии».

Окружность профессора Камма.

А теперь ещё раз поговорим о самом главном в физике движения. Все неприятности начинаются, когда на автомобиль действуют сразу несколько сил. Представьте себе такую ситуацию: автомобиль тормозит, потом поворачивает, причём вершина поворота находится на холме. Значит, на шины действуют силы отрицательного продольного ускорения, то есть торможения, бокового ускорения в повороте, да ещё и вертикального, так как машину подбросило на холме. Причём не строго по указанным векторам, а во всех направлениях.

Силы, действующие на шину в повороте можно представить в виде графического изображения, но сначала, чтобы лучше понять график, рассмотрим такой пример. Представьте себе, что хозяйка налила вам тарелку борща на кухне и вам следует проследовать с неё в столовую. «Хорошо, что ещё не до краёв налила!» - бормочете вы и внимательно смотрите на тарелку, чтобы не пролить суп. А он так и норовит пролиться через край по направлению вперёд и влево. Стоп! Почему вперёд и влево? Да потому что вы только что «затормозили» в конце коридора и повернули вправо. Точно так же и запас сцепления шин устремляется вперёд и вправо при торможении и повороте влево на нашем графическом изображении.

Посмотрите, как только вы снова пошли, суп устремился назад, точно так же как у автомобиля, трогающегося с места, загружается задняя ось, из-за чего сцепление задних шин возрастает. Первым предложил использовать окружность для графического изображения работы шины в повороте профессор Вунибальд Камм (1893-1966). Ученый работал в техническом университете города Штутгарта, что в Германии, на кафедре автомобили.

Можно предположить, что прежде чем господину Каму пришла в голову идея графически изобразить запас сцепления шины в повороте, он так же покружил с тарелкой супа в руках. Только это был не борщ, а немецкий гороховый «айнтопф», но на результаты эксперимента это не повлияло. Итак, силы, действующие на шину в повороте можно изобразить векторами. Эта сила может быть большой, средней или нулевой. Измерять её сейчас нет никакой необходимости, для нашего графика это неважно. Важно только что длинна стрелки изображает - «максимум», половина стрелки - «середину максимума» и ноль – «ничего». Направление стрелки возможно из центра ( это и есть центр масс автомобиля) в любую сторону, поэтому обведём вокруг окружность.

Расстояние от центра до окружности изображает в данном случае максимальное боковое или продольное ускорение. Что происходит на линии окружности? Это и есть зона «турбулентности» или серая зона, как её назвал Вальтер Рёрль. Здесь силы сцепления иссякают и уступают место силам скольжения. В этой зоне достигается максимальное сцепление шины с дорожным покрытием. Здесь шины находятся в состоянии контролируемой нестабильности. Окружность профессора Кама наглядно показывает, что тормозить и разгоняться в повороте можно, важно только правильно распределить соотношение сил продольных и поперечных ускорений. . Если мы возьмем любую точку на этом круге отличную от точек пересечения с осями координат, спроецируем ее на оси координат, то, как раз и получим соотношение работы шины на торможение и поворот или разгон и поворот. Скажу по секрету, что благодаря этой теории и была изобретена антиблокировочная система тормозов.

Конечно, это голая теория, на практике всё немного иначе, но окружность профессора Камма помогает понять, как работает шина в повороте. Если мы пойдем несколько дальше, в третье измерение, то нам придётся иметь дело с полусферой профессора Камма. Её поверхность показывает вертикальное ускорение. Вспомним, что мы говорили о том, что вершина поворота может находиться на холме или на изломе. В этот момент машина станет легче, а вектор устремится в направлении поверхности полусферы, снижая сцепление шины с покрытием дороги. В этот момент способность шины поворачивать, разгоняться или тормозить будет сильно ограничена. А потом за разгрузкой подвески последует её сжатие и неизбежно возникнет прижимная сила. В этот момент вес машины увеличится, сцепление шин улучшится. Как это изобразить графически? Очень просто – увеличением окружности, отодвигающей зону начала скольжения. И это самый подходящий момент чтобы тормозить или поворачивать.

Подведём итог и суммируем вышесказанное. Управление автомобилем в движении создает силы, действующие на машину. Водитель может эти силы в процессе своей «борьбы» с дорогой и с машиной увеличивать или уменьшать, но они всё равно будут соответствовать различным законам физики. Эти законы изменить нельзя. Физика движения объясняет всё, что происходит с автомобилем на дороге. Грамотное управление автомобилем состоит в умении водителя понимать и не нарушать эти законы, а умело их использовать. Быстро, но безопасно ехать на автомобиле, это значит, умело балансировать на границе окружности профессора Кама. А в балансе главное чувствовать перемещение веса и не перебарщивать с ним. Иначе ваш борщ выплеснется из тарелки!
Секреты от М. Горбачева