Кольцевой Автоспорт: страсти по Балансу

В этом смысле, начиная трудиться с тем или иным гоночным автомобилем, тесты должны представлять собой именно учебные практики – Seat Time. До тех пор, пока мы не чувствуем себя комфортно в работе с органами управления спорткара, не испытываем достаточно спокойной уверенности на пределе собственного пилотажного уровня (когда мы отдаем себе строгий отчет, что мы делаем и как на это реагирует автомобиль), – так вот, до этих пор нам с вами не нужен ни быстрый, «острый» и «резкий» чемпионский болид, ни новое колесо. Резкая машина, понятно, не простит новичку даже малейшей ошибки; однако почему нам не нужно новое колесо?

Смотрите. Каждый пилот оставляет на дороге свой собственный черный след, который соответствует, так скажем, внешней границе сцепления шины с асфальтом. У кого-то этот след подобен широкому и бесформенному мазку валиком по забору; другие рисуют кистями того или иного размера; по-настоящему же быстрые люди работают колесом – как чертежным карандашом, оставляя за собой след соответствующей ширины. Ясно, к чему нужно стремиться:

Ширина черного следа, коллеги, маркер наших ошибок в работе с колесом!

Согласитесь, вряд ли на начальном этапе на нужен быстрый и «резкий» автомобиль, новым колесом которого нужно работать так же, как работает Эдриан Ньюи грифелем своего чертежного карандаша!?

Итак, что же есть предел гоночного колеса и как с этим бороться?

Не вдаваясь в технические нюансы конструкции шины (коих столько, что сам черт ногу сломит!), принципиально важно отметить следующее: один из ключевых ее ингредиентов – масло. Говоря максимально упрощенным языком, чем больше масла в составе конкретной шины, тем она мягче; и тем, соответственно, лучше «липнет» к дороге. Тем выше коэффициент сцепления данного колеса с данным покрытием.

Благодаря этому качеству шины и вертикальной нагрузке (то есть весу автомобиля со всем его содержимым), колесо не просто цепляется за дорогу, – но способно в динамике генерировать силу трения куда большую, чем собственный вес автомобиля. Иначе говоря, классический постулат, что сила трения увеличивается по мере увеличения веса и коэффициента сцепления, в нашем случае работает преинтереснейшим образом.

Шина генерирует силу трения (зацепа, «держака») при ускорении авто, его замедлении, на поворотах. Однако более того, она способна генерировать комплекс сил. Например, при ускорении на выходе из поворота или при роспуске тормоза на входе (Trail Braking). Впрочем, об этом мы будем подробно говорить чуть попозже.

Смысл, «фишка», в том, что в случае комбинации продольных и боковых сил, действующих на колесо, их сумма (с точки зрения работоспособности шины) может быть значительно выше, чем максимум – предел – шины в каждом отдельно взятом направлении, на прямой или в повороте.

Собственно на этой «сверхспособности» гоночного слика Марк Донахью и построил Traction Circle – Колесо Жизни. И это главная тема издания.

Итак, движение «на слипе» – это прохождение поворота на максимальной сумме продольных и боковых сил, которые способна выдерживать шина до момента утраты сцепления с дорогой.

Slip – это еще один англицизм, который довольно трудно перевести однозначно и понятно. Точно одно, это – не скольжение, не подскальзывание и не проскальзывание в чистом виде.

Slip в первом приближении – это деформация шины, зависящая от коэффициента сцепления, а также веса и динамики автомобиля.

Далее же мы разберем две разновидности «слипа»:

Slip Angle – угол увода колеса, вызванный боковыми силами, например, в повороте;

Slip Ratio – коэффициент увода колеса, возникающий при воздействии сил продольных, например, при ускорении или торможении.

Self Aligning Torque: увод и стабилизация

Итак, Slip Angle, или угол увода, – это смещение (в силу деформации) шины от запланированного направления движения (точка, куда мы повернули руль; куда «смотрит» диск колеса) к реальной траектории, по которой следует колесо.

Угол увода – следствие эластичности шины. Когда мы пытаемся изменить направление движения автомобиля, та часть шины, которая непосредственно контактирует с поверхностью (пятно контакта), сопротивляется нашему усилию повернуть. Это сопротивление вызвано силой трения между шиной и поверхностью, иначе говоря – зацепом, держаком. Шина в пятне контакта как бы «прилипает» к дороге, а потому не поспевает за поворотом колесного диска. Учитывайте, что мы движемся; колесо крутится; пятно контакта постоянно, по мере вращения шины, меняется. Сумма этих «прилипаний» (когда шина опаздывает за колесным диском) по всему радиусу поворота и приводит в итоге к определенному угловому смещению. То есть – углу увода.

Далее, и это важно! Представьте себе катящуюся по дороге шину. Очевидно, что большую часть времени она не контактирует с дорогой, – зацеп есть только в пятне контакта и только на минимальную единицу времени. При этом шина – это эластичный, но монолитный организм. Поэтому «прилипание» и деформация в пятне контакта всенепременно ведут к деформации и той части шины, которой только предстоит контактировать с дорогой (Leading Tread Deformation), и той, которая уже успешно свое отработала и теперь стремится вернуться в свое первоначальное, нормальное состояние (Trailing Tread Deformation). Это постоянный циклический процесс, в котором задействованы все молекулы нашей шины.

Я бы хотел здесь заострить ваше внимание на том, что процесс распрямления шины, высвобождения энергии после контакта с дорогой (Trailing Tread Deformation) происходит ощутимо быстрее (весомей на руле!), чем процесс деформации передней части шины, которой только предстоит свидание с асфальтом (Leading Tread Deformation).

Чуть ниже будет понятно, почему это так важно.

А теперь давайте поговорим о взаимосвязи между углом увода, коэффициентом сцепления и боковой силой. Коэффициент сцепления изменяется вместе с углом увода; поэтому и боковая сила изменяется вместе с углом увода. Зацеп и боковые перегрузки увеличиваются по мере увеличения угла увода. Ровно до тех пор, пока не достигают своего предела.

Если продолжить экспериментировать со скоростью сверх этого предела, увеличивая угол увода, мы получим и падение боковых нагрузок (не глупо было б это научиться чувствовать!), и уменьшение коэффициента сцепления. Шина утрачивает последовательное «прилипание» (деформацию), «вырывается на свободу» (breaks loose – отличная метафора!). Это состояние нам всем очень хорошо известно: мы боговдохновенно скользим, пролетая мимо поворота.

Однако так ли криминален Sliding, или скольжение? – Продолжим разбираться.

Вспомните, в третьей главе «На слипе» мы говорили о черном следе, который оставляет на асфальте буквально каждый пилот; и отметили, что чем тоньше этот след, тем мастеровитей его «художник».

Так вот, след этот вовсе не от увода колеса, а именно от его скольжения!

Колесо, или шину (сейчас это синонимы), нужно строить, конструировать по мере движения по треку. Чем оно мягче (свежее), тем стремительнее будет расти кривая зацепа относительно угла увода; тем существеннее будет увеличение боковых нагрузок. Как уже было отмечено выше, процесс будет продолжиться до предельных значений сцепления, обусловливаемых характеристиками шины, состоянием дороги и так далее, и тому подобное (о нашем с вами пилотаже я пока молчу). Выход за эти предельные значения, превышение допустимого лимита колеса вовсе не означает, что нас тут же «сдует» с трека, будто бы мы попали на лед. Отнюдь! На предельных значениях зацепа (относительно угла увода) колесо выходит на, обзовем его по-своему, плато (Flat Top или Slip Angle Threshold). На уровне наших с вами ощущений это будет примерно так: мы продолжаем атаковать, увеличивая угол увода, а наш автомобиль продолжает довольно уверенно цепляться за дорогу.

Важно помнить и учитывать тот факт, что чем мягче, «гоночнее», колесо, тем выше пороговый коэффициент зацепа и скорость преодоления виража, но тем уже (короче) плато – тем легче свалиться в скольжение, которое будет слабо контролируемым. И наоборот: чем шина жестче, тем ниже коэффициент сцепления и скорость, однако шире плато, а значит: тем больший диапазон угла увода находится в нашем распоряжении.

Так вот, границы плато, – от точки преодоления максимума зацепа до точки начала абсолютной утраты держака, – это работа колеса в режиме эластичной деформации и скольжения. Проще говоря, рабочий диапазон нашего колеса.

Не трудно догадаться, что в самом начале плато скольжение только начинается; добравшись же до другого края рабочего диапазона, мы рискуем получить все пятно контакта нашего колеса в уверенном, но слабо контролируемом скольжении.

В первом случае мы имеем на дороге след от чертежного карандаша; во втором – мазок малярной кисти…

Вуаля!

Slip Ratio (Percent Slip), или коэффициент увода, – то же самое, что и Slip Angle, только в прямолинейном направлении. То есть: при разгоне или торможении колесо (синоним шина) эффективно работает точно так же по тем же законам, что и в повороте. В этом смысле оптимальный разгон (или торможение) находятся в зоне самого начала плато; на той грани, когда коэффициент увода только-только начинает переходить в пробуксовку (разгон) или блокировку (торможение) нашего колеса.

Здесь важно отметить следующее. Кривая зависимости коэффициента сцепления от коэффициента увода взмывает к своему предельному значению куда круче, а плато куда шире, чем в случае со Slip Angle. Это необходимо учитывать при работе с точками торможения, особенно перед медленными поворотами после быстрых прямых. Об этом мы будем подробнее говорить чуть дальше.

Одним словом, торможение «в дым» или троганье «с буксом» (помните, это был мой дебютный выезд на трек на Legends 600? – я упомянул этот факт в первой главе «Зона комфорта») – это преобладание скольжения над эластичной деформацией колеса.

Это – не оптимально, не быстро и не круто.

Ну и на сладкое: чего теперь нам, шоферам, со всем этим делать?

Вспомните, пожалуйста, начало этой главы, когда я просил вас заострить свое внимание на том факте, что процесс распрямления шины после контакта с дорогой куда быстрее процесса деформации передней части шины – прямо перед тем, как ей стать пятном контакта. Этот процесс распрямления имеет свое название – Self Aligning Torque, или, в смысловом переводе, – стабилизирующий момент, обусловленный уводом колеса.

На самом деле, SAT – явление более широкого спектра; однако для нас сейчас важен именно аспект пневматического смещения шины (ее деформации).

В практическом смысле, как пилотам, нам крайне важно научиться чувствовать этот момент на рулевом колесе; и, естественно, понять, как с ним работать. Сопротивление повороту руля возникает почти сразу же, достигая своего предельного значения на минимальных углах увода. В свою очередь, когда руль становится практически невесомым, это означает, что мы с вами «слетели» с края плато, а наш автомобиль скользит мимо поворота. Таким образом, мы с вами должны оперировать в той зоне, где стабилизирующий момент начинает ослабевать (следовательно, мы движемся на уводе), – вплоть до того момента, пока мы не «потеряли» руль, то есть пролетаем по прямой в ожидании, что «морда» хотя б за что-нибудь да зацепится.

НО: дальше начинается самое интересное! А именно: определение оптимального угла увода для данного колеса, данной дороги и данного поворота. Как говорится, за отрицательное время и с максимально возможной скоростью; с математической точностью и гонщицким азартом!

Легко, правда?

Footprint. Как оно работает?

Что на самом деле происходит с шиной по мере того, как мы формируем (строим) нагрузку в повороте с увеличением угла увода, так это то, что упругая деформация пятна контакта (Footprint) неуклонно растет. Как уже было сказано выше, по мере приближения к максимальному значению пятно контакта при качении начинает терять свою эластичность, и угол увода трансформируется в фактическое скольжение.

Теперь мы имеем на пятне контакта комбинацию, скажем так, упругого трения и трения скольжения. Если мы добавим нагрузку и, соответственно, угол увода, то часть пятна, которая скользит, увеличится, в то время как область, которая все еще находится в режиме упругости, уменьшится, пока, в конечном счете, не начнет скользить все пятно.

В какой-то момент между началом увода колеса и его завершением коэффициент достигает своего максимального значения. В любой момент, если мы стабилизируем угол увода (чуть добавив или, наоборот, снизив нагрузку), коэффициент и усилие на повороте также стабилизируются, и шина перейдет в устойчивый режим прохождения поворотов при данном значении угла увода на повороте.

Само пятно контакта имеет примерно эллиптическую форму. Деформация как рабочей части, пятна контакта, так и боковины изменяет удельное давление по всей его площади.

Это удельное давление близко к нулю на передней кромке и достигает максимума где-то непосредственно перед задней кромкой. Оно также варьируется в поперечном направлении, в зависимости от боковой нагрузки и угла развала.

Когда пятно контакта начинает переходить от упругого трения к трению скольжения, это происходит на наиболее сильно нагруженном участке поверхности, и по мере увеличения угла скольжения переход постепенно распространяется в сторону менее нагруженных участков.

Точка, где начинается трение скольжения, соответствует концу линейной части (роста) кривой увода колеса. Точка, в которой скользит все пятно контакта, соответствует точке на кривой, где плато (Flat Top или Slip Angle Threshold) уходит под уклон, и где все стремительно летит к чертям собачьим!

Важно отметить, что даже когда мы превысили допустимый угол увода шины и, следовательно, вышли за пределы крайней точки плато, шина все равно цепляется по мере своих сил за поворот. Она не теряет внезапно все свое сцепление с дорогой – независимо от того, на что это может быть похоже (например, глубокий занос). Когда шина полностью превысила свою эластичность и скользит всем пятном, она по-прежнему обладает значительным боковым зацепом, и, если мы сможем каким-то образом уменьшить угол увода, то восстановим утраченный «держак».

Подчеркну, угол увода генерируется каждый раз, когда шина подвергается боковой нагрузке любого рода!

После очень короткой паузы передние шины воспроизводят углы увода, и автомобиль начинает поворачивать. Центробежная сила, возникающая при начале поворота, передает боковые усилия через шасси к задним колесам, которые затем развивают соответствующие углы увода и боковые силы, и автомобиль, после незначительных коррекций, стабилизируется в повороте.

Для простоты понимания мы рассматриваем абстрактную шину как единое целое с постоянной нагрузкой и вертикальным расположением по отношению к поверхности трассы. На самом деле, конечно, конкретная шина – только один угол автомобиля и подвержена всем постоянно меняющимся нагрузкам и усилиям, которые возникают в реальной жизни.

Как ни удивительно, гоночные шины работают при меньших углах увода, чем шины гражданских автомобилей. Конечно, у спортивного колеса соответствующие значения коэффициента и нагрузки при прохождении поворотов намного выше.

На это есть две причины. Во-первых, за последние десятилетия (Микки Томпсон начал революцию «широкой шины» примерно в 1962 году) инженеры постепенно уменьшили соотношение сторон гоночной шины (длина пятна контакта, деленная на ширину) до такой степени, что теперь пятно во много раз шире собственной длины. Шины гражданских автомобилей развивались в том же направлении, но гораздо скромнее.

Интуиция подсказывает нам, что будет невозможно удерживать шину с большей осью в поперечном направлении под таким же большим углом увода, как шину с большей осью, ориентированной горизонтально. Вот почему «Формула Форд» проходит медленные повороты с куда большими углами увода, чем болиды «Формулы 1», и почему старые автомобили «Формулы 1» двигались под большими углами, чем нынешнее поколение, – далеко не так быстро, но зато как эффектно!

Далее. Чем ниже разработчики шин смогут сохранить углы увода при заданном коэффициенте сцепления, тем более «термостойкой» будет шина и тем мягче резиновая смесь, которую можно использовать. Чем мягче состав, тем более липкой будет шина и тем большее усилие она сможет генерировать.

Естественно, все это коррелируется с жесткостью боковин, весом автомобиля, доступной мощностью, характеристиками трека и Бог знает, чем еще…

Кроме того, угол увода при максимальном коэффициенте должен быть достаточной величины, чтобы можно было построить практичную кривую.

Трудно не согласиться с Кэрроллом Смитом, заявившим, что это бесконечно сложная тема!..

Просто для примера, – чтобы обозначить некоторые цифры: задняя шина Formula 5000 или Can-Am, выпущенная десятки лет назад, достигала своего максимального коэффициента около 1,4 при углах увода примерно в 10 градусов, а кривая была очень пологой от 9 градусов до 14 градусов.

Всякое колесное транспортное средство и любой водитель используют определенное значение угла увода шин каждый раз, когда автомобиль отклоняется от прямолинейного движения.

Например, Макс Ферстаппен на своем пути к славе и богатству намеренно принимает действительно нужные углы увода – и работает на этих значениях постоянно и последовательно.

Любая тетя, направляясь в поликлинику, также пользует углы увода – бесконечно меньшие и гораздо менее последовательные, – но, тем не менее, углы увода!

Гениальность заключается не в управлении гоночным автомобилем на предельных значениях угла увода, а в последовательном контроле баланса автомобиля под такими углами, которые обеспечат максимальную полезную суммарную силу шин.

Traction Circle

Мы видели, что гоночная шина способна генерировать почти одинаковую силу при ускорении, замедлении или прохождении поворотов. Если мы построим график максимальных сил, которые данная шина может развить в каждом из этих направлений, то в итоге получим окружность, которую часто называют «Кругом зацепа».

Марк Донахью называл ее «Колесом Жизни».

Вопреки распространенному мнению, ни концепция, ни визуализация не новы. Это не собственно круг из-за того, что продольная способность шины немного превышает ее боковые характеристики. Тем не менее, дабы избежать лишних сложностей, мы все равно будем считать это кругом.

Итак, глядя на диаграмму, становятся очевидными две вещи:

Первое. Шина может генерировать либо силу в 1,4 g при ускорении, либо 1,4 g при прохождении поворотов (примем во внимание, что торможение = ускорение, только со знаком минус). Однако она не может развивать 1,4 g в двух направлениях одновременно. Если шина создает как продольную тягу, так и боковую силу, то она, следовательно, должна генерировать меньшее количество каждой, чем могла бы развить в каждом направлении по отдельности. Это проиллюстрировано вектором с маркировкой FT, который показывает, что шина создает усилие на повороте 1,1 g при ускорении 0,8 g с результирующим вектором силы FT, равным 1,4 g (Рис.28).

НО: благодаря геометрии круга зацепа и результирующим векторов шина, оказывается, может генерировать и действительно генерирует силы в каждом из направлений, сумма которых больше, чем заявленная возможность данной шины. А именно: 1,1 + 0,8 = 1,9 g.

Другими словами, шина может одновременно воспроизводить энное количество тяги и на торможении, и на вираже, которые, сложенные вместе, будут составлять большую силу, чем шина способна развить в каждом отдельно взятом направлении!

Если мы собираемся использовать весь потенциал производительности, заложенный в наших шинах, то мы должны поддерживать работу колеса на очень высоком уровне суммарного усилия все время, пока автомобиль поворачивает. Мы должны «проехать по краю круга зацепа», сбалансировав (ключевое слово!) торможение, боковую силу на входе и работу газом таким образом, чтобы результирующие силы, действующие на шину, находились непосредственно внутри границы круга.

Если мы будем следовать доисторическому изречению: «Все торможения выполняйте по прямой, проходите поворот с максимальной скоростью, затем разгоняйтесь на прямой», – мы потратим впустую большую часть потенциала наших шин. И, конечно, потратим уйму времени на прохождение круга.

Что нам нужно сделать – и что инстинктивно делает каждый гонщик – это продолжать торможение на этапе входа в поворот, чтобы, пока шины находятся в процессе наращивания усилия в повороте, они все еще вносили свой вклад в тормозную тягу, – и тогда результирующая линия предела зацепа колеса повторит границу Круга зацепа.

Думается, что совершенно очевидно, к чему мы с вами должны стремиться!..

Trail Braking

Один из легендарных представителей первой Формулы, трехкратный чемпион мира, шотландский автогонщик Джеки Стюарт однажды сказал, что последнее, чему он научился в качестве пилота – это качественное торможение. Позднее Стюарт скорректировал свой месседж, заявив: «Последнее, что я понял за рулем болида, это – как правильно отпускать педаль тормоза».

То, о чем заявил в 70-х годах прошлого века Сэр Джон Янг Стюарт, по сути и называется Trail Braking.

Trail Braking – одно из самых популярных и модных понятий в мире автомобильного спорта. Часть гоночных школ (правильных) гордятся тем, что они обучают этому приему; иные школы (ложные) кичатся тем, что им пренебрегают. А что же происходит на самом деле?

Давайте вернемся к понятию Traction Circle – Круг зацепа. Как мы выяснили в прошлой главе, для максимизации результата нужно проехать по самому краю Круга зацепа. И далее: «Если мы будем следовать доисторическому изречению: "Все торможения выполняйте по прямой, проходите поворот с максимальной скоростью, затем разгоняйтесь на прямой", мы потратим впустую большую часть потенциала наших шин. И, конечно, потратим много времени на прохождение круга». На самом деле, никто из гонщиков не ездит «доисторическим» способом; и уж точно так никогда не ездили успешные пилоты!

Львиная доля техники управления спортивным автомобилем – инстинктивна, лучше сказать интуитивна (интуиция – это инстинкт, помноженный на опыт). Равно как коррекция заноса происходит интуитивно, так и чувство максимума колеса, которое доступно нам в каждом конкретном повороте.

Если мы не «слышим» колесо, это может значить только одно: в погоне за мифическим подиумом мы оглохли и не хотим его слушать. Этому горю я помочь не в силах!..

Что мы на самом деле должны делать – и что инстинктивно делает практически каждый гонщик – это «распускать» торможение (да-да: имеет место быть балансирующее торможение; ровно в той же степени, как незыблемо имеет место быть балансирующий газ. Возможно, еще тоньше!) во время входа в поворот таким образом, чтобы шина генерировала суммарную тягу торможения и виража на границе Круга зацепа – Колеса Жизни.

Кроме прочего, закончив торможение на стадии ста процентов упора колеса в повороте ("getting the car up on the tire" – поставить автомобиль на колесо; прямо в точку называет Смит), мы должны сразу вставать на газ, дабы, распуская машину на выход и добавляя газом нагрузку, удерживать колесо на грани Круга зацепа. Не нужно забывать, что кто первый дожимает педаль газа до полика на выходе, тот и будет первым (и максимально быстрым) в конце следующей прямой. Если мы будем использовать весь потенциал колеса на сам поворот – на максимальные боковые нагрузки, нам ничего не останется на дугу выхода; следовательно – поздно откроем полный газ; следовательно – проиграем прямую.

Элементарно, не правда ли?

Естественно, далеко не все повороты требуют такого приема, как Trail Braking. Обыкновенно речь идет о медленных и/или среднескоростных (которые ближе к медленным) виражах, сразу за которыми следует прямой отрезок трассы. Процитирую Кэрролла Смита: «Every successful driver trail brakes at some corners. No successful driver trail brakes at every corner».