Сцепление колес с дорогой

Сцепление колес с дорогой – это динамическая величина, которая постоянно изменяется. Всего четыре маленьких участка контакта резины с дорожным покрытием оберегают водителя от того, чтобы не улететь с дороги куда-нибудь в кювет.

Пятно контакта – это, буквально говоря, след колеса на дороге, его опорная поверхность. Неподвижное пятно контакта представляет собой прямоугольник, если кривизна шины равна нулю и давление в ней имеет соответствующее значение. В динамике пятно контакта может иметь любую форму – от грубого прямоугольника до треугольника. Оно также может быть меньше или больше, чем статическое, в зависимости от вертикальной нагрузки, на которую, в свою очередь, влияет перенос веса или аэродинамическое прижимающее усилие, действующее на машину. Чем больше площадь пятна контакта, и чем больше вертикальная нагрузка, тем большее сцепление с дорогой мы можем потенциально получить. Более того, шины эластичны, так что они изменяют свою форму пропорционально боковой реактивной силе, возникающей при повороте автомобиля. Это изменение формы заставляет шину катиться под углом к ее продольному направлению.

Это явление носит название бокового увода, а угол, под которым начинает катиться шина, называется углом ее бокового увода. Слово «увод», однако, не подразумевает скольжения шины, а обозначает просто ее деформацию таким образом, при котором она «уходит» в сторону внешнего радиуса поворота. Максимальное сцепление достигается всегда при значении угла бокового увода, большем, чем ноль, хотя величина сцепления шины с дорогой быстро падает, когда этот угол становится слишком большим. Рисунок и структура колесной резины имеют самое непосредственное отношение к тому, какой угол увода максимизирует сцепление шин. Боковой увод иногда еще называют дрифтом, так как машина при нем как бы «дрейфует» к внешней стороне поворота (одно из значений английского слова drift – дрейф). Правда, этот дрифт имеет совершенно иное значение, нежели тот дрифт, которым увлекаются некоторые автолюбители – те самые, которые заставляют свои машины скользить в поворотах медленным, но впечатляющим образом. В автоспорте настоящий четырехколесный дрифт – когда все четыре шины катятся под сходными углами увода и с максимальным сцеплением от высшей точки поворота до внешнего края трассы – происходит быстро, но на самом деле выглядит скромно.

Круговая схема сцепления шин с дорогой – это графическое отображение всего возможного сцепления, которое мы можем получить от колеса. Вы можете приложить максимальную силу сцепления в любом направлении (вектор силы), но превысить 100-процентного значения этой силы невозможно. Другими словами, если мы используем некоторое количество доступной нам силы сцепления шин с дорогой для того, чтобы превратить ее в боковую реактивную силу в повороте, то мы получим и некоторое количество других сил, в которые трансформируется сцепление – к примеру, силу ускорения при выходе из поворота. То есть сохранится некий баланс в пределах первоначального значения силы сцепления.

Вектор обычно используется для обозначения направления суммы сил. Идеальной ситуацией, в которой сцепление будет оптимальным, можно считать ту, в которой вы будете как можно более близки к границе круговой схемы все время. Причем размер этого круга будет меняться вместе с изменениями площади пятна контакта и нагрузки на шину (статический вес + перенос веса + аэродинамика). Однако сила сцепления, «добавленная» на одну шину при переносе веса, будет меньше, чем потеря этой силы другой шины, с которой «убрали» вес (если подразумевать, что перенос веса дает в итоге потерю в суммарной силе сцепления для всех колес). Вот почему минимизация возможности переноса веса – одна из самых важных задач для любого гонщика.

Для того, чтобы пятно контакта шины с дорогой имело максимальный размер, шина при этом контакте должна иметь нулевую кривизну (то есть быть в идеале плоской). На практике же дорожные машины часто нуждаются в отрицательной кривизне шин в статическом состоянии (хотя это зависит от подвески).

Причин этому несколько. Во-первых, шины деформируются в зависимости от боковой реактивной силы. К тому же податливые втулки подвески (которые нужны для гашения шума и вибрации при езде) также деформируются. Оба эти явления вызовут потерю кривизны шины в повороте, так что статическая отрицательная кривизна нужна для компенсации этой потери. Другими причинами потери кривизны выступают крен кузова и изменения геометрии подвески в диапазоне смещений ее деталей.

Гоночные автомобили нуждаются в меньшем значении отрицательной кривизны шин для компенсации перечисленных выше факторов в силу того, что их подвеска меньше подвержена изменениям геометрии (например, благодаря использованию более жестких втулок). Боковая жесткость спортивной подвески выше, и кривизна шин в этом случае лучше контролируется.

Что это означает для тех, кто использует серийный автомобиль на спортивной трассе? То, что им нужно будет провести несколько тестов для выявления идеального значения отрицательной кривизны шин, не забывая при этом, что оно может сильно отличаться для задней и передней оси. А также о том, что это значение будет идеальным для трека, но не для обычных дорог. Причина в том, что на треке машина подвергается большим значениям реактивной боковой силы, и компенсировать изменение формы и геометрии подвески нужно тоже в большей степени. На улицах такая большая компенсация будет излишней и послужит причиной лишнего износа колесной резины без какого-либо ощутимого выигрыша в сцеплении колес с дорогой.