Боковая сила шины это

Конусность и боковой увод

Поведение шин в области бокового скольжения, близком к нулю, стало более важным в последние годы с совершенствованием высокоскоростных автомобилей. Важность происходит от акцента, который ставится на ощущение центра системы рулевого управления.

Для идеальной шины нулевая боковая сила совпадает с нулевым углом увода, но для реальных шин это не так. Для реальных шин поведение боковой силы при малых углах скольжения будет таким, как показано на Рисунке 10.25. На этой точке при качении шины в обоих направлениях, условно обозначенных на рисунке как вперёд и назад, действует боковая сила. Важным наблюдением, сделанным с помощью рисунка, является то, что поведение боковой силы отличается от направления вращения (вперед или назад) и может быть смещение от центра графика.

Рис. 10.25. Поведение боковой силы вблизи нулевого угла скольжения.

Одним из механизмов в шине, учитывающих такое поведение, является конусность (conicity) в конструкции. Конусность происходит от небольших различий в шине от одной стороны к другой, таких как асимметричное смещение в позиционировании ленты. Как следует из названия, эти изменения проявляются в шинах как уклон в сторону конической формы, как показано на Рисунке 10.26. Из-за такой формы свободно вращающаяся шина захочет следовать по дуге с центром в вершине конуса, как показано в правой части Рисунка 10.26. Вынужденная двигаться по прямой линии, эта шина будут испытывать боковую силу, направленную на рисунке в правую сторону, независимо от того, в каком направлении она может вращаться. По конвенции SAE, когда шина катится вверх на виде сверху, боковая сила направлена вправо и положительна. При качении вниз сила снова будет направлена вправо, но поскольку продольная ось шины теперь направлена вниз, боковая сила теперь отрицательна. Таким образом, конусность проявляется как разница в боковой силе при нулевом угле увода, когда шина катится в противоположных направлениях. Конусность имеет свойство быть случайной по направлению и зависит от контроля качества при производстве шины. Проворот шины на ободе будет менять направление боковой силы, вызываемой конусностью.

Рис. 10.26. Конусность в пневматической шине.

Другой механизм, который может присутствовать в шинах, это боковой увод из-за укладки слоёв (ply steer), который возникает из-за наличия угла между кордовыми нитями в ленточных слоях. Чтобы избежать такого смещения в предпочтительных направлениях прокатки шин, ленты сконструированы с чередующимися слоями лент на противоположных углах, но идеального баланса достичь невозможно. Таким образом, свободно вращающаяся шина будут проявлять тенденцию дрейфовать в сторону от направления, в которое она смотрит. Вместо того, чтобы двигаться по дуге, как показано на Рисунке 10.26, она будет двигаться по линии, которая смещена по отношению к её центральной плоскости. Если при прокате в одном направлении она создаёт боковую силу вправо по системе осей шин SAE, то когда катится в противоположном направлении, она снова будет демонстрировать силу вправо по системе осей шин SAE. Таким образом, когда свойства боковой силы шины измеряются в окрестностях нулевого угла скольжения, боковой увод из-за укладки слоёв проявляется как ненулевое смещение в средней боковой силе в обоих направлениях движения. Боковой увод из-за укладки слоёв зависит от конструкции шины; следовательно, он будет почти равен по величине и направлению для всех шин одной конструкции. Проворот шины на ободе не меняет направление боковой силы, вызванной боковым уводом из-за укладки слоёв.

Величины сил конусности и бокового увода из-за укладки слоёв зависят от вертикальной нагрузки, которую несёт шина. Конусность более чувствительна к внутреннему давлению в шине и может быть уменьшена путём корректировки давления.

Источник

Угол увода

Когда катящаяся пневматическая шина подвергается воздействию боковой силы, она будет смещаться в сторону. Между направлением движения шины и направлением движения будет создан угол. Этот угол называется углом увода, скольжения (slip angle). Отвечающие за это механизмы могут быть оценены при рассмотрении упрощённой иллюстрации поведения шины, как показано на Рисунке 10.10.

Рис. 10.10. Деформация катящейся шины при воздействии боковой силы.

Так как шина движется и элементы протектора вступают в контакт с дорогой, они не отклонены от своего нормального положения и, следовательно, не могут испытывать боковую силу. Но, так как шина движется дальше под углом к направлению движения, элементы протектора остаются в положении их первоначального контакта с дорогой и поэтому отклоняются в сторону по отношению к шине. Из-за этого процесса накапливается боковая сила, так как элемент движется назад в пятне контакта до точки, где боковая сила, действующая на элемент, преодолевает существующее трение и происходит скольжение. Таким образом, профиль боковой силы, развиваемой внутри пятна контакта, имеет вид, показанный на Рисунке 10.10.

Этот механизм не является мгновенным явлением, а отстаёт от реального изменения угла увода из-за необходимости отклонения бортовых стенок шины в поперечном направлении [9]. Это отставание тесно связано с вращением шины, и, чтобы эффективно достичь стационарного состояния действия силы, занимает, как правило, от половины до одного полного оборота шина. Это явление наблюдается в условиях испытаний на низкой скорости, когда угол поворота шины изменяется с заданным шагом. Ответная боковая сила аналогична показанной на Рисунке 10.11. При изменении угла поворота, для бокового отклонения и чтобы сила выросла, шина должна сделать пол-оборота или больше. Это расстояние часто упоминается как «период релаксации» («relaxation length»). Время отставания в развитии боковой силы обязательно зависит от скорости вращения шины. На шоссе при скорости, соответствующей 10 оборотам в секунду шины, временная задержка составит всего около 0.05 (1/20) секунды, что незаметно для многих автолюбителей. Однако, этот эффект может быть заметен для опытных водителей в виде отставания или медлительности в отклике при повороте.

Рис. 10.11. Изменение боковой силы с углом поворота шины.

Эффект релаксации играет важную роль в потере боковой силы, когда шина работает на неровной поверхности дороги и испытывает изменения в своей вертикальной нагрузке. Когда нагрузка уменьшается, скольжение происходит по всей длине пятна контакта и бортовые стенки шины выпрямляются. Шина должна прокатится, пройдя период релаксации, чтобы снова создать боковую силу. Как следствие, на неровной дороге у шин наблюдаются возможность иметь более низкую боковую силу. Для достижения наилучшей характеристики сцепления с дорогой подвеска должна быть разработана так, чтобы минимизировать изменения нагрузки на шину в тяжёлых дорожных условиях.

Рис. 10.12. Харктеристики боковой силы шины.

Свойства шины на поворотах как функция от нагрузки и угла увода часто изображается в виде плоского графика, как показано на Рисунке 10.13.

Рис. 10.10. Плоский график зависимости боковой силы от угла увода для диагональной шины.

Жёсткость при движении в повороте зависит от многих переменных. Существенное значение имеют размер шины и тип (радиальная или диагональная конструкция), число слоёв, углы кордовых нитей, ширина колеса и рисунок протектора. Для конкретной шины основными переменными являются нагрузка и внутреннее давление.

Источник

Устройство автомобилей

Увод колеса и поворачиваемость автомобиля

Увод колеса

При прохождении автомобилем поворота возникающая боковая сила Р_у действует на весь автомобиль, в том числе и на колеса, которые находятся в контакте с дорогой. Поскольку колеса снабжены эластичными шинами, то боковая сила Р_у вызовет деформацию шин в зоне контакта колес с дорогой.

Отклонение вектора скорости эластичного колеса от плоскости его вращения при действии любой по величине боковой силы называется боковым уводом (или просто уводом), а угол между этим вектором и плоскостью вращения колеса – углом увода.

Боковая сила, вызывающая увод, может быть связана с углом увода соотношением:

где k_ув – коэффициент сопротивления уводу, показывающий какую по величине поперечную силу надо приложить к колесу, чтобы оно катилось с углом увода, равным 1 рад.

Для малых углов увода (до 6˚) коэффициент k_ув приближенно можно считать постоянным. Для легковых автомобилей k_у изменяется от 15 до 40 Н/рад, а для грузовых автомобилей и автобусов – от 30 до 100 Н/рад.

Коэффициент k_ув можно считать постоянным лишь приближенно. Увеличение вертикальной нагрузки и давления воздуха в шинах сопровождается повышением сопротивления уводу.
При возникновении увода происходит деформация шины в радиальном и поперечном направлении, в результате чего возрастает внутреннее трение в шине. При дальнейшем увеличении углов увода начинается скольжение протектора по дороге. Результатом этого является то, что сила, необходимая для качения колеса с уводом должна быть больше, чем для его качения без увода.

Поворачиваемость автомобиля

Свойство автомобиля изменять направление движения без поворота управляемых колес называется поворачиваемостью автомобиля. Поворачиваемость проявляется в результате бокового увода колес вследствие эластичности шин или поперечного крена кузова вследствие эластичности упругих элементов подвески. Поэтому различают поворачиваемость шинную и креновую.

Если в автомобиле с жесткими шинами центр поворота находится в точке О (рис. 2) пересечения продолжения осей передних и задних колес, то у автомобиля с эластичными шинами центр поворота будет находиться в точке О₁ пересечения перпендикуляров к векторам скоростей v₁ и v₂ переднего и заднего мостов. Тогда можно записать:

где δ₁ и δ₂ – углы увода соответственно переднего и заднего мостов;
ρ_э – радиус поворота автомобиля с эластичными шинами;
L – база автомобиля.

Для автомобиля с жесткими шинами углы увода равны нулю: δ₁ = δ₂ = 0, и для радиуса поворота справедлива формула:

где ρ – радиус поворота автомобиля с жесткими шинами.

При действии поперечной силы на автомобиль с жесткими шинами он будет сохранять свое прежнее направление движения, пока обеспечивается его устойчивость по сцеплению колес с дорогой. Автомобиль же на эластичных шинах с нейтральной поворачиваемостью при действии боковой силы будет двигаться прямолинейно под углом δ_ув к прежнему направлению движения.

Чтобы понять влияние различных видов поворачиваемости на устойчивость автомобиля, рассмотрим воздействие на автомобиль боковой силы Р_у в случае, когда угол поворота управляемых колес равен нулю: θ = 0.

В случае нейтральной поворачиваемости (рис. 3, а) автомобиль будет двигаться под углом δ_ув = δ₁ = δ₂ к траектории своего прежнего движения.

Креновая поворачиваемость автомобиля зависит от конструкции подвески. На рис. 4 показан задний мост с подвеской на листовых полуэллиптических рессорах, который поворачивает направо. Передние концы рессор соединены с кузовом простым шарниром, а задние – при помощи серьги.

Под действием поперечной силы Р_у кузов автомобиля наклоняется, вызывая сжатие левых рессор и распрямление правых. Левая рессора, сжимаясь, перемещает задний мост назад (в точку А ), а правая распрямляясь перемещает его вперед (в точку В ). В результате задний мост поворачивается в горизонтальной плоскости.

Если вследствие крена углы поворота переднего и заднего мостов неодинаковы по величине и направлению, то автомобиль поворачивает, хотя передние колеса относительно балки моста не повернуты. Так, при действии одной и той же силы Р_у один автомобиль (рис. 5, а) повернет вправо, а второй автомобиль (рис. 5, б) – влево.

У автомобиля с излишней креновой поворачиваемостью при действии поперечной силы кривизна траектории непрерывно увеличивается. Это приводит к росту центробежной силы и дальнейшему уменьшению радиуса поворота. Однако максимальное значение угла поперечного крена обычно ограничивается упорами, предусмотренными конструкцией подвески.

Креновая поворачиваемость связана с шинной поворачиваемостью, так как увод колеса возникает не только под действием моментов, но и при наклоне колеса к вертикали (развале).
Если направление поперечной силы совпадает с направлением развала, то увод возрастает. Один градус развала вызывает увод в 10…20 градусов.
У автомобилей с независимой подвеской на поперечных рычагах крен кузова вызывает изменение развала.
При двухрычажной подвеске колеса наклоняются в сторону крена кузова и направления поперечной силы, что увеличивает общий увод моста.
При однорычажной подвеске колеса наклоняются в сторону, противоположную крену кузова и навстречу поперечной силе, при этом общий увод моста уменьшается.

Так как автомобиль, имеющий недостаточную поворачиваемость, обладает большей устойчивостью, то при его конструировании и эксплуатации стремятся обеспечить именно недостаточную поворачиваемость. Поэтому у легковых автомобилей наиболее распространена подвеска на двух рычагах. Заднюю подвеску выполняют зависимой или же независимой на одном поперечном рычаге.
Если сделать наоборот (впереди установить зависимую, а сзади двухрычажную независимую подвеску), то это приведет к резкому ухудшению управляемости автомобиля.

При эксплуатации для сохранения недостаточной поворачиваемости автомобиля при перевозке грузов их размещают так, чтобы их центр тяжести находился ближе к передней оси автомобиля.
Во всех случаях давление воздуха в шинах колес передней оси поддерживают ниже, чем в задних шинах, а в случае вынужденного использования шин разной конструкции следует более жесткие шины устанавливать на заднюю ось, а менее жесткие – спереди.

Автомобиль с излишней поворачиваемостью может вообще потерять управляемость. Из формулы (3) получим:

При прямолинейном движении автомобиля δ₁ = δ₂ = θ = 0, ρ_э = ∞ и обе части уравнения (3) равны нулю.
Если на автомобиль кратковременно подействует боковая сила (например, порыв ветра), то возникает большой увод колес. В этом случае в уравнении (3) δ₁ > 0, δ₂ > 0 и δ₂ > δ₁ (автомобиль имеет излишнюю поворачиваемость), θ = 0, следовательно,

Допустим, что сила Р_ц параллельна силам боковых реакций R_у1 и R_у2 дороги на колеса автомобиля. Такое допущение основывается на том, что после возникновения центробежная сила Р_ц и радиус поворота ρ_э достаточно велик.
Тогда из уравнения равновесия автомобиля следует (рис. 6)

На основании отношения (1) и с учетом уравнений (5) и (6) получим:

где k_ув1 и k_ув2 – коэффициенты сопротивления боковому уводу шин переднего и заднего мостов соответственно.

Из выражений (5), (7) и (8) определяется критическая скорость автомобиля по условиям управляемости:

У автомобилей с недостаточной или нейтральной поворачиваемостью критическая скорость vув отсутствует, так как при δ₂ δ₁ подкоренное выражение отрицательно, а при δ₂ = δ₁ оно равно бесконечности.

Источник

От чего зависит сцепление шин с дорогой? Часть 4

Влияние бокового увода шины на коэффициент сцепления

В первой части статьи я описал, от чего зависит сцепление шины с дорогой с точки зрения физики: от коэффициента сцепления шины с дорогой и силы прижатия шины к дороге. При этом коэффициент сцепления — величина не постоянная и зависит от различных параметров. Во второй статье я рассказал о влиянии качества дорожного покрытия, типа протектора и его температуры на коэффициент сцепления шины с дорогой. В третьей, прошлой статье – о влиянии на коэффициент сцепления скорости движения автомобиля и проскальзывания шин. В этой — заключительной части статьи я расскажу об уводе шины и о влиянии увода на коэффициент сцепления с дорогой.

Что такое увод шины?

Еще одно интересное явление, неизбежно возникающее в процессе управления автомобилем – увод шины. Поскольку шина, как и любое другое тело, способна деформироваться, при повороте руля в движении возникает ее деформация. Допустим, колесо (диск) поворачивается на заданный водителем угол, например, 30 градусов. А шина более мягкая, она деформируется – скручивается и как бы запаздывает за колесом. И в итоге шина повернута не на 30, а, скажем, на 25 градусов. Это и есть увод. А разница между углом поворота колеса и шины называется углом увода.

Замечу, что именно увод определяет характер управляемости автомобиля, который называют поворачиваемостью. Если угол увода передних шин больше, чем задних, автомобиль обладает недостаточной поворачиваемостью. Это значит, что машина уверенно держит прямую, но неохотно входит в поворот и в случае превышения предельной скорости скользит наружу передними шинами, попадает в снос. Если угол увода задних шин больше, чем передних, машина имеет избыточную поворачиваемость. Такая машина с трудом сохраняет курсовую устойчивость на скользкой прямой, зато заныривает в поворот очень резво и в предельном случае скользит задними шинами, уходит в занос. В случае равенства углов увода передних и задних шин авто проявляет нейтральную поворачиваемость, то есть ведет себя в повороте наиболее ожидаемо и адекватно и в случае превышения предельной скорости скользит всеми четырьмя колесами.

Вообще говоря, чем больше увод, тем хуже машина слушается руля, больше запаздывает при маневре, тем хуже управляемость и скорость прохождения поворота. Другими словами, чрезмерный увод уменьшает коэффициент сцепления шин с дорогой.

От чего зависит увод?

От чего же зависит увод? От конструктивных особенностей автомобиля, его подвески, а также от самой шины и от манеры вождения. Про машину здесь много писать не буду и повторюсь, что эта обширная и интересная тема выходит за рамки статьи.

C шиной, в общем, дело обстоит просто: чем мягче шина, тем больше ее увод. А мягкость шины, в свою очередь, зависит от:

Кроме того, увод зависит от воздействий различных сил на шину. Чем больше вес, давящий на шину, тем больше увод. Чем больше центробежная сила, действующая на автомобиль в повороте, тем больше увод шины.

Рассмотрим все эти моменты подробнее.

Конструкция шины

Шина – сложная конструкция и состоит из множества составляющих и разных материалов: каркаса, слоёв брекера, протектора, борта и боковой части и т.д. В зависимости от предназначения шины и ее конструкции она может быть более или менее жесткой и, следовательно, более или менее подверженной боковому уводу. В этой статье я не буду углубляться в детали конструкции шины и интересующимся читателям рекомендую обратиться к специализированной литературе.

Давление воздуха в шине

Поведение машины на спущенных шинах, я думаю, себе представляет большинство водителей. Машина становится «расхлябанной», «разболтанной», плохо держит дорогу и плохо реагирует на повороты руля. То есть «едет, как по рельсам» – точно не про этот случай. Это и есть следствие увода – шина в поворотах деформируется сверх меры, и машина поворачивает не сразу за поворотом руля и не совсем по той траектории, по которой она бы поехала в случае нормально накачанных шин.

Опять же, для многих водителей не секрет, что на спущенных шинах машина улетит с дороги в повороте при заметно меньшей скорости, чем на нормальных шинах. То есть из-за увеличившегося увода снижается предельная скорость прохождения поворота, в случае превышения которой шины переходят в скольжение. Иначе говоря, недостаточное давление воздуха в шинах приводит к увеличению увода и к снижению коэффициента сцепления шин с дорогой в поворотах.

пониженное давление в шине => большая мягкость шины => большая деформация шины => увеличенный увод => снижения коэффициента сцепления в поворотах и риск преждевременного износа шины

Практическая рекомендация на этот счет стара, как автомобильный мир: регулярно проверяйте давление в шинах и поддерживайте его, согласно рекомендациям завода-изготовителя автомобиля.

Соотношения высоты профиля шины к его ширине

Если вы взгляните на маркировку любой шины на ее боковине, всегда сможете увидеть примерно следующее: 225/45 R17. Первое число означает, что ширина профиля шины составляет 225 мм. Второе число – после дроби – соотношение высоты профиля к ширине, которое в данном случае составляет 45%. Оно-то нам и нужно. Ну и для порядка скажу, что R означает радиальный тип корда в шине, а 17 – посадочный диаметр шины (т.е. диаметр диска) составляет 17 дюймов.

Иногда можно услышать, что чем меньше это число, стоящее после дроби в маркировке шины, тем более низкопрофильной является шина. На самом деле, это только половина правды, и не всегда так. Подчеркну, что число после дроби не является высотой профиля в миллиметрах или каких-то других виртуальных единицах. Это именно процентное соотношение. Берем шину с высотой профиля 102,5 мм и шириной 205 мм и получаем их отношение в 50% и число «50» после дроби. То есть изменить это число мы можем тремя способами.

Первый: уменьшить высоту профиля шины при той же ширине. Тогда, действительно, шина с небольшим соотношением высоты к ширине, будет низкопрофильной, как и принято считать. Например, шина 225/35 R17 будет с достаточно низким профилем.

Второй: увеличить ширину профиля шины при той же высоте. Тогда шина может не обязательно быть с низким профилем, но будет иметь достаточно широкий профиль. Например, 325/35 R20 имеет вполне обычную высоту профиля для современных машин – 113,75 мм, не сказать, что очень низкий профиль. Но вот ширина запредельная – 325 мм.

Третий способ: одновременно увеличить ширину и уменьшить высоту профиля.

Таким образом, в плане увода нас интересует не ширина или высота профиля шины в отдельности, а именно их соотношение. Для наглядности приведу такой пример. Отрежьте кусок колбасы для бутерброда, скажем, полсантиметра толщиной и попробуйте согнуть пополам или скрутить в противоположные стороны, как фантик конфеты. Легко гнется, деформируется, без проблем. А теперь отрежьте кусок сантиметров 5 толщиной и попробуйте скрутить его – уже нереально. При этом мы можем увеличить или уменьшить диаметр колбасы (теоретически) в 10 раз и соответственно увеличить или уменьшить ее толщину. Эффект не изменится: при том же соотношении диаметра и толщины понадобится ровно столько же усилий, чтобы согнуть колбасу, как и в первоначальном случае.

То же самое будет с карандашом: длинный карандаш сломать руками просто, полкарандаша уже сложнее, а четверть невозможно. Можно проделать то же самое с зубочисткой или скалкой. Если они сделаны из такого же дерева, что и карандаш, то при тех же соотношениях длины и толщины понадобится ровно столько же усилий, чтобы сломать их. И это объясняется как раз отношением толщины к длине: чем толще кусок колбасы при том же диаметре среза, тем сложнее его деформировать. Сами размеры в этом случае не важны, важно именно соотношение размеров.

Аналогичная картина и с шиной: чем шире и одновременно ниже профиль шины, тем жестче шина и тем меньше деформируется в поворотах, то есть тем меньше ее угол увода и тем с большей скоростью она позволяет проходить повороты, то есть тем лучше она сохраняет первоначальные сцепные свойства.

Это еще одна из причин, почему спортивные шины делают широкими и низкопрофильными – для уменьшения увода и улучшения (а точнее – сохранения) сцепных свойств шины и устойчивости и управляемости автомобиля в повороте.

широкая и/или низкопрофильная шина => большая жесткость шины => меньшая деформация шины => уменьшенный увод=> сохранение изначального коэффициента сцепления в поворотах => повышенная скорость прохождения поворота, управляемость и устойчивость

Практическая рекомендация: любите динамичную езду? Любите вождение по гоночному треку? Вам показано использование широких шин с низким профилем.

Влияние типа и износа протектора на боковой увод шины

Жесткость шины зависит также и от протектора, а значит, протектор влияет на увод. Если бы мы рассматривали гоночные слики – шины без протектора, там бы это практически не сказывалось на уводе. А дорожные шины имеют рисунок – канавки, в итоге шина опирается на дорогу не одной гладкой плоскостью, а множеством резиновых «ножек». И эти «ножки» деформируются в процессе движения, что дает дополнительный повод для бокового увода.

Состав резины протектора

Что касается состава резины, очевидно, летний протектор жестче, к примеру, зимнего. И чем мягче состав резины, тем больше деформация и боковой увод шины в повороте. Это еще один плюс в пользу летних шин на асфальте. Помимо того, что они сами по себе имеют больший коэффициент сцепления с асфальтом, чем зимняя резина, так они еще и лучше сохраняют его в повороте за счет меньшего увода.

Тип протектора

Что касается типа протектора, то тот же зимний протектор конструктивно отличается от летнего. Зимний имеет более глубокие канавки, чем летний, а главное – множество прорезей, так называемых ламелей. Они нужны для зацепления за рыхлое снежное покрытие. И большая глубина канавок, и наличие ламелей уменьшают жесткость конструкции протектора, а значит, увеличивают увод шины. Для зимы и снега меньшая жесткость – хорошо, но для асфальта плохо. Поэтому не стоит думать, что по вычищенным от снега московских дорогам можно гонять так же лихо, как летом – держак вовсе не тот. И тем более не стоит ездить на зимних шинах летом: мало того, что коэффициент сцепления сам по себе ниже, еще добавляется больший увод за счет мягкого состава и «расчлененного» протектора, так еще и жара буквально расплавляет зимнюю резину, и машина уже не едет, а плывет по асфальту. Я понимаю, о вкусах не спорят, тут кому что ближе, но к безопасности дорожного движения такие извращения отношения не имеют…

Аналогично разный рисунок протектора может влиять на увод и на разных летних шинах. Чем чаще «нарезан» протектор, тем больше деформируются элементы протектора и тем больше увод. Чем реже расположены канавки, тем увод меньше.

Почему канавки на полусликах снизили скорость болидов в Формуле 1?

Известен, кстати, ход руководства Формулы 1, когда на целых 8 лет были запрещены слики, и пилоты ездили на полусликах – сликах без рисунка протектора, но с четырьмя продольными канавками. Цель такого нововведения – снизить скорость болидов и повысить безопасность гонок. Вопрос: почему канавки на сликах снизили скорость?

Распространено мнение, что наличие канавок уменьшило площадь пятна контакта шины с дорогой, а значит – и сцепление с дорогой. Конечно, ведь эта мысль лежит на поверхности: сцепление пропорционально площади пятна контакта, думают обыватели, поэтому канавки и уменьшили скорость болидов. В начале статьи я объяснил, почему сцепление в явном виде от площади пятна контакта не зависит. Но, как я уже писал, ни эта, ни одна из предыдущих статей не претендует ни на научный труд, ни на учебное пособие для шинников или пилотов Формулы 1. Конечно, шинники мировых брендов и гоночные инженеры команд в Формуле знают о сцеплении шин куда больше меня. И я допускаю, что есть какое-то эфемерное влияние площади пятна контакта на сцепление гоночного слика с треком, особенно при таких высоких рабочих температурах шины (около 100 градусов по Цельсию), когда шина буквально прилипает к покрытию трека. Однако эти канавки уменьшают площадь пятна контакта на какие-то доли процента, поэтому даже если и влияние пятна контакта какое-то есть, то оно очень незначительно и помогает выиграть пилотам лишь тысячные доли секунды на круге. И точно никак не сказывается на безопасности дорожного движения обычных гражданских автомобилей.

Зато увеличение увода влияет на скорость болида в повороте явно и значительно, тут не надо ничего высасывать из пальца и спорить «влияет/не влияет». Канавки сделали шину более мягкой и склонной к деформации, что автоматически привело к увеличению их увода в повороте. А значит уменьшилось сцепление в поворотах, а следовательно, и скорость болидов.

А поскольку шина с канавками стала более мягкой, чтобы скомпенсировать это, производители стали использовать более жесткие составы резины, что дополнительно уменьшило скорость болида в повороте, а также ухудшило тормозные и разгонные характеристики болидов и удлинило зоны торможения.

Износ протектора

Износ протектора влияет на сцепление шины с дорогой, но не всегда плохо. Как я уже писал выше, при полном износе, когда дорожная шина становится лысой, на шине не остается состава резины, который предназначен для контакта с дорогой и обеспечивает надлежащее сцепление. Но при частичном, например, 50%-м износе ездовые характеристики шины несколько улучшаются. Цепкий состав резины остается и при движении по прямой, торможении, ускорении, сцепные возможности шины сохраняются, как и у новой. Но поскольку протектор частично изношен, уменьшается глубина канавок, а значит и склонность шины к деформации. Таким образом, частичный износ протектора приводит к уменьшению увода шины в повороте и улучшению ее сцепных свойств в повороте по сравнению с новой шиной.

Собственно говоря, если бы после полного износа протектора на шине оставался бы цепкий состав резины, лысые шины имели бы наилучшее сцепление с дорогой: по прямой, как новая, ведь состав резины тот же, а в поворотах лучше новой, ведь увод заметно меньше. Но… лысые шины пригодны лишь для сухого асфальта, а на мокрой дороге достаточно легко переходят в аквапланирование. Поэтому слики – удел гоночных машин, и то только посуху. А в дождь даже гонщики переходят на дождевые шины с соответствующим составом резины и рисунком протектора.

В итоге, неправильная логика:

наличие рисунка или канавок на протекторе шины => меньшее пятно контакта шины с дорогой => меньшее сцепление шины с дорогой => удлиненный тормозной путь и более низкая скорость прохождения поворотов

правильная логика:

наличие рисунка или канавок на протекторе шины => меньшая жесткость шины => большая деформация шины => увеличенный увод в повороте => уменьшение коэффициента сцепления в поворотах => более низкая скорость прохождения поворота

Практическая рекомендация:

помните, что зимние шины плохо держат асфальтированную дорогу, в частности, из-за большего увода. Зимние шины не предназначены для езды по асфальту, тем более, летом, и никогда не обеспечат вам такого же хорошего сцепления с асфальтом, как летние шины.

Если вы любите выезжать на гоночный трек, лучше использовать специализированные шины с редким рисунком протектора (полуслики) или вообще без рисунка (слики). Эти шины по разным причинам лучше дорожных шин на треке, в частности, из-за меньшего увода.

Влияние манеры вождения на увод

Как я уже писал выше, увод тем больше, чем больше воздействие различных сил на шину. Например, больше веса давит на шину сверху – больше увод. То есть чем тяжелее передок машины, тем больше увод передних шин. Это, кстати, одна из причин того, почему переднеприводные машины часто имеют недостаточную поворачиваемость: почти все агрегаты сконцентрированы под капотом, из-за этого передок достаточно тяжелый, и увод передних шин становится больше задних.

Что такое центробежная сила?

Теперь о манере вождения. Увод также зависит от центробежной силы, которая всегда действует на автомобиль в повороте. Чем она больше, тем больше увод. А центробежная сила в свою очередь зависит от нескольких параметров:

где m – масса автомобиля, V – скорость автомобиля, R – радиус кривизны траектории движения машины в повороте.

Понятно, масса машины в процессе движения меняется мало, но все же меняется – топливо расходуется, и масса уменьшается. Для гонщиков это важно, ведь они борются за тысячные доли секунды на круге.

Радиус поворота мы тоже можем менять, но если говорить о продвинутом вождении или гоночном вождении, радиус нужно выбирать как можно большим – как раз чтобы уменьшить центробежную силу, а следовательно, и увод, и иметь возможность проехать поворот с большей скоростью. Для городских водителей такая возможность повышает безопасность движения, а для гонщиков – сокращает время прохождения круга.

Самое интересное кроется в скорости. Как видно из формулы, скорость непосредственно влияет на центробежную силу. При увеличении скорости в повороте центробежная сила в какой-то момент становится равной по величине силе сцепления шин с дорогой, а скорость достигает предельного значения.

То есть при увеличении скорости растет и центробежная сила, а значит, и увод шины. И при достижении предельной скорости увод максимален. Если продолжать газовать и увеличивать скорость, шины начнут скользить и после какого-то момента перейдут в полное скольжение, и автомобиль потеряет устойчивость или управляемость.

Максимальное сцепление – оптимальный угол увода

Тут и есть самое интересное. Выше я уже писал о зависимости коэффициента сцепления от степени проскальзывания и о том, что сцепление максимально при некотором проскальзывании: 5-20%. В случае бокового скольжения в повороте скольжение тоже возникает не сразу, а постепенно. Вообще при уводе шины часть элементов пятна контакта находится в покое относительно дороги, цепляется за него, а часть проскальзывает. При увеличении угла увода увеличивается доля проскальзывающих элементов и уменьшается доля покоящихся. И здесь, аналогично, коэффициент сцепления достигает максимума при некотором проскальзывании, то есть при некотором оптимальном угле увода. Это проскальзывание можно выразить и в процентах, а можно в значениях угла увода: условно, от 6 до 12 градусов.

Причем, у гоночной шины диапазон оптимальных углов увода шире, чем у дорожной, как видно на графике ниже:

Рисунок взят из книги Михаила Горбачева «Экстремальное вождение. Гоночные секреты» (Рипол классик, 2007).

Поэтому если говорить о гоночном вождении, задача пилота проходить повороты не просто на грани скольжения, а с оптимальным проскальзыванием, то есть оптимальным углом увода. То есть задача пилота, находясь уже на предельной скорости в стадии скольжения, «сделать тонкую настройку» предельной скорости – плюс-минус 1-2 км/ч, найти то положение педали газа, которое при данном угле поворота руля приведет к нужным углам увода шин – от 6 до 12 градусов.

Сложно? А никто не говорит, что у гонщиков простая работа. Отчасти в этом и заключается их высочайшее мастерство. Хотя, на экране телевизора они могут показаться безмозглыми парнями, тупо нарезающими круги по трассе, не понятно зачем 🙂

Практическая рекомендация:

информация из последнего раздела актуальна, пожалуй, только любителям вождения по гоночной трассе. Если вы к ним относитесь, шлифуйте свою технику пилотирования, учитесь чувствовать автомобиль настолько тонко, чтобы уметь находить и предел сцепления, и оптимальный угол увода для реализации максимума возможностей ваших шин и автомобиля. Высшим мастерством можно считать умение не просто ехать с оптимальным уводом, но и одновременно сохранять шины от преждевременного износа.

Коэффициент сцепления шин с дорогой. Итоги

1. При движении автомобиля в повороте возникает явление бокового увода шины вследствие ее деформации. Угол между плоскостью вращения колесного диска и плоскостью вращения шины называется углом увода.

2. Коэффициент сцепления уменьшается с увеличением увода, а увод тем больше, чем мягче шина: чем мягче состав резины, чем более мелко «нарезан» протектор, чем новее шина и глубже канавки протектора, чем меньше давление воздуха в шине, и чем больше соотношение высоты профиля шины к ее ширине.

3. Кроме того, на одном и том же автомобиле и одних и тех же шинах увод зависит от манеры вождения. Вообще, чем выше скорость движения в повороте, тем больше увод и проскальзывание элементов протектора шины. Но, как и в случае с проскальзыванием при торможении и ускорении, коэффициент сцепления достигает максимума при некотором проскальзывании, то есть в некотором диапазоне углов увода: 6-12 градусов. Но это по-настоящему актуально только для достижения спортивных результатов гонщиками.

Источник