Точки крепления амортизаторов

Большинство автомоделей имеют несколько возможных точек крепления амортизаторов, на стойке амортизаторов (область 1) и на нижнем рычаге подвески (область 2). Путем монтирования амортизаторов в различные положения может быть изменено воздействие пружин. Вопрос: как это отразится на управлении? Чтобы понять это, вам необходимо узнать о жёсткости пружины, приведённой к колесу (wheel rate).

Приведенная жесткость является эквивалентом жесткости пружины на колесе; это жесткость пружины, которая обеспечит такую же жесткость, как текущая, если она будет присоединена прямо на центральной линии колеса. В конце концов, где действуют силы сцепления: на колесе.

 

Приведенная жесткость определяется как (относительное смещение) 2 * (жесткость пружины) * sin (угол пружины), где относительное смещение - это расстояние между нижней точкой крепления и внутренней шарнирной осью разделенное на расстояние между внутренней шарнирной осью и центральной линией колеса (относительное смещение: отношение хода колеса к ходу пружины/амортизатора). Угол пружины - это угол между амортизатором и нижним рычагом подвески.

Или: приведенная жесткость = жесткость пружины * (D1/D2) ^2 * sin (a).

Эта формула говорит нам о двух вещах:
1. Чем больше наклонены амортизаторы, тем меньше приведенная жесткость.
2. Чем ближе смонтированы амортизаторы к середине шасси, тем меньше приведенная жесткость.

Отметьте, что если вы измените положение нижней точки крепления амортизатора, вы измените и угол амортизатора и относительное смещение, но обычно изменение в относительном смещении оказывает больший эффект. Это видно из формулы: относительное смещение возведено в квадрат, а угол нет. Величина хода подвески также изменяется, что также влияет на управление автомобилем.

Угол амортизатора тоже не является постоянным: он становится больше при сжатии подвески. Этот эффект более выражен, когда амортизаторы больше наклонены, поэтому чем больше наклонены амортизаторы, тем более прогрессивной будет приведенная жесткость. Таким образом, думайте о верхней точке крепления, как о средстве точной настройки жесткости пружин и амортизаторов, и изменения их прогрессивности.

Помните, что это не абсолютно верно: если центральная линия колеса не пересекается с внешней шарнирной осью, значительная часть действующих на колесо сил, передается к шасси вдоль верхнего рычага подвески. Тем не менее, это является хорошим приближением.

Так как угол амортизаторов изменяет их прогрессивность, он также влияет на скорость штока амортизатора: если амортизатор наклонен больше (прогрессивный), скорость штока будет увеличиваться по мере сжатия амортизатора, если амортизатор расположен ближе к вертикальному положению (линейный), скорость штока не будет сильно изменяться вместе с ходом подвески. Очевидно, что это также влияет на высокоскоростную амортизацию, т.е. это оказывает влияние на то, когда происходит переход от низкоскоростной к высокоскоростной амортизации. Это будет происходить раньше, если амортизатор расположен более вертикально, так как когда он наклонен, пройдет некоторое время (и некоторый положительный ход подвески) прежде чем шток "ускорится" и достигнет той же скорости штока. Поэтому больший наклон амортизаторов имеет более или менее тот же эффект, что и использование поршня со слегка увеличенными отверстиями, а более вертикальное крепление имеет тот же эффект, что и использование поршня со слегка уменьшенными отверстиями.

Я пришел к заключению, что изменение нижней точки крепления амортизаторов может пригодиться, когда вы хотите изменить величину отрицательного хода подвески, но вы не испытываете желания изменять длину амортизаторов, или когда вам нужно, чтобы пружины были немного жестче или мягче. Изменение верхней точки крепления амортизаторов является весьма тонкой регулировкой, я предпочитаю изменять ее после того, как все остальные, более важные регулировки, уже сделаны и автомобиль более или менее управляется так, как я хочу. Это особенно полезно для изменения "ощущения" управления при входе в повороты. Я не знаю, применимо ли это, когда действие пружин очень прогрессивное, но чем более прямо расположены амортизаторы (меньше наклонены), тем более прямым будет их действие при входе в поворот. Например: если передние амортизаторы находятся близко к вертикальному положению, а задние до некоторой степени наклонены, автомобиль будет иметь хорошую поворачиваемость при входе в поворот, и будет очень отзывчивым. Если задние находятся близко к вертикальному положению, а передние более наклонены, автомобиль не будет круто заходить в поворот, но у него будет лучше поворачиваемость в середине поворота. В некоторых случаях, зад может действительно начать скользить. Это работает тем же самым способом, как и наличие жестких пружин или жестких амортизаторов: если у вас спереди жесткие пружины или жесткие амортизаторы, начальная реакция во время входа в поворот будет очень сильной. В средней части поворота автомобиль будет, скорее всего, обладать недостаточной поворачиваемостью, но это начальная реакция, которая придает автомобилю "отзывчивый" характер. Даже центр крена работает этим способом: очень высокий центр крена спереди сделает автомобиль очень агрессивным при входе в поворот, но придаст ему недостаточную поворачиваемость в середине поворота. Это подходит, если вы предпочитаете агрессивный автомобиль, который вы можете "бросать" в повороты, но я сомневаюсь, что это наиболее быстрый способ проходить трассу. И наоборот, если задний центр крена находится очень высоко, автомобиль будет входить в поворот очень мягко, и после этого, возможно, будет иметь избыточную поворачиваемость.

 

Глава 3: Регулировки

Развал

Развал характеризуется углом между центральной линией колеса и вертикальной плоскостью. Если колеса автомобиля наклонены внутрь, угол развала будет отрицательным, если колеса наклонены наружу, угол развала будет положительным. Угол развала обычно измеряется при нормальном дорожном просвете. Наиболее общепринятыми являются углы от -0,5 до -3 градусов.

Во-первых, положительный развал никогда не используется, только отрицательный. Отрицательный развал необходим, потому что когда автомобиль входит в поворот, он испытывает крен шасси, который увеличивает угол развала колес. Также, поскольку большинство резиновых шин являются достаточно гибкими, они немного деформируются в направлении центра поворота. Если автомобиль не имеет отрицательного развала, тогда только внешний край и боковина шины будут касаться земли, что неблагоприятно сказывается на сцеплении. Величина сцепления колеса увеличивается с увеличением поверхности контакта, так что идеальной ситуацией будет, когда колесо все время стоит перпендикулярно к поверхности земли и не деформируется при больших боковых нагрузках. К сожалению, это не наш случай. Большую часть времени нам необходимо искать наилучший компромисс. Проблема в том, что если вы хотите получить максимальное ходовое сцепление, вам необходимо установить развал в 0 градусов, а если вы хотите получить максимальную эффективность прохождения поворотов, то вам необходимо установить отрицательный развал в несколько градусов, в зависимости от жесткости подвески и каркаса шины. Так что вы не можете получить оба преимущества, но можете попытаться получить наилучший компромисс. Наиболее простым путем является установить развал так, чтобы шины изнашивались равномерно по всей поверхности, в этом случае вы можете быть уверены, что потенциал каждой части поверхности использован по максимуму. Имейте в виду, что автомобиль с очень мягкой подвеской и небольшим приростом развала будет нуждаться в большем отрицательном развале, чем автомобиль с очень жесткой подвеской и большим приростом развала. Однако, в очень ухабистых условиях будет выгодно использовать больший развал, чем это необходимо для равномерного износа шин. Избыточный развал стабилизирует автомобиль при прохождении больших ухабов и снизит риск зацепления за выбоины и переворачивания.

Развал также может быть использован как регулировка для достижения желаемого эффекта управления, но я определенно не рекомендую это делать: неоптимальный развал всегда снижает сцепление, что неизбежно замедляет автомобиль.

 

Кастер

Кастер характеризуется продольным углом C между осью поворота колеса и вертикальной плоскостью. В случае подвески с двойными поперечными рычагами подвески, линия через центры шаровых соединителей служит в качестве "виртуальной оси поворота". Если ось поворота наклонена назад, как на рисунке, угол кастера будет положительным. Отрицательный кастер (ось поворота наклонена вперед) никогда не используется. Заметьте, что пятно контакта между колесом и землей находится позади точки пересечения оси поворота и земли (расстояние D). Это заставляет колеса "идти по следу".

Кастер будет вызывать избыточный развал на передних колесах при их повороте, поднимая переднюю часть автомобиля вверх. Этот эффект подъема является тем, что вызывает у передних колес тенденцию выпрямляться, когда отсутствует усилие поворота: когда колеса направлены прямо вперед, шасси находится в самом нижнем положении, и поворачивание колес требует некоторого усилия для поднятия автомобиля вверх. Когда усилие поворота снимается, сила тяжести будет возвращать колеса в их нормальное положение. Чем больше угол кастера и тяжелее автомобиль, тем сильнее будет этот эффект. Также, чем больше угол кастера, тем больше различие в развале, вызванное поворотом колес. Это изменение развала предназначено для компенсации крена шасси и деформации шин при прохождении поворотов. Поэтому, большой кастер обеспечивает более высокую поворачиваемость в высокоскоростных поворотах, в которых крен шасси более выражен, и во время входа в повороты. Это также сделает автомобиль более устойчивым в ухабистых условиях, стабильность на прямых участках будет также улучшена. Небольшой угол кастера обеспечит более высокую поворачиваемость в низкоскоростных поворотах и меньшую при входе в поворот.

Отметьте, что угол кастера не всегда постоянен. Автомобили с двойными поперечными рычагами подвески, когда поперечные рычаги подвески не параллельны друг другу, будут испытывать изменение в угле кастера при сжатии или растяжении подвески. Если нижний поперечный рычаг подвески имеет меньший кик-ап, чем верхний поперечный рычаг подвески, угол кастера будет уменьшаться при сжатии подвески, например, когда автомобиль поворачивает или тормозит. Это называется "реактивный кастер".

 

Угол схождения

Колеса автомобиля редко направлены прямо вперед. Рисунок показывает автомобиль с расхождением спереди и схождением сзади. Схождение означает, что колеса направлены внутрь, а расхождение означает, что колеса направлены наружу.

 

Оба передних колеса пытаются тянуть автомобиль в боковую сторону. Они не могут сделать этого, так как на противоположной стороне существует равная, но противоположная по направлению сила, но пытаются это сделать. Эти силы отображены зелеными стрелками. Поэтому колеса не указывают в направление, в котором они движутся (белая стрелка). Это создает угол бокового увода, как это было объяснено в главе 1.

Поэтому, в теории, автомобиль никуда не сдвигается. Но это неустойчивая ситуация: предположим, что автомобиль попадает на небольшой ухаб на одной стороне или он немного поворачивает. Это будет увеличивать нагрузку на одно из двух передних колес. Увеличенная нагрузка означает увеличение сцепления, поэтому колесо может тянуть на сторону немного сильнее. В случае небольшой коррекции управления, сила на другой стороне также становится меньше, из-за переноса веса, не вызванного ухабом. Поэтому вы заканчиваете с одним колесом, тянущим сильно в одну строну, и другим колесом, тянущим в другую сторону, но не настолько сильно. В результате, две силы больше не компенсируют друг друга, появляется результирующая сила, которая поворачивает автомобиль. Это плохая новость, так как это будет в свою очередь вызывать перенос веса, ухудшая проблему. Водитель может попытаться исправить это путем контр-руления, но если это сделано несовершенно, вы закончите с таким же эффектом в противоположном направлении. Это может заставить автомобиль вилять со стороны на сторону или, в худшем случае, вызовет рыскание по курсу.

Расхождение приводит к нестабильности, поэтому нет смысла использовать его сзади вашего автомобиля, это сделает его неуправляемым. Но спереди есть стабилизирующий эффект кастера. Поэтому иногда небольшое расхождение используется спереди, пока автомобиль имеет достаточный кастер, нестабильность на прямой не будет являться проблемой. Эффект неустойчивости будет однако заметен при входе в повороты. Вход в повороты будет более непосредственным и более агрессивным.

Сзади автомобиля используется некоторая величина схождения. Это также будет создавать две противостоящие силы, но на этот раз это будет устойчивая система. Если по некоторой причине одна сила станет больше другой, автомобиль будет поворачивать в направлении, которое вызовет перенос веса на колесо, потерявшее вес вначале. Поэтому колесо, которое потеряло сцепление, закончит с большей нагрузкой и, следовательно, более высоким сцеплением. Система стабилизирует сама себя, это также называется отрицательной обратной связью.

Схождение приводит к стабильности: оно создает эффект, который направляет автомобиль прямо. Схождение в основном используется на задней оси, где оно не допускает "ухода" задней части автомобиля, когда колеса постоянно подходят к краям круга силы сцепления и любой ухаб может привести к потере сцепления. Для водителя это выглядит как будто зад "зафиксирован", как если существует некоторая невидимая сила, удерживающая заднюю часть автомобиля на трассе. У этого есть и оборотная сторона: в поворотах, особенно низкоскоростных, это может снизить поворачиваемость. Эффект может быть настолько большим, что силы сцепления передних колес едва достаточно для поворота автомобиля. Другими словами, избыточное заднее схождение вызывает недостаточную поворачиваемость.

Переднее схождение делает по существу то же самое: оно стабилизирует переднюю часть автомобиля. Это может быть полезным эффектом, если вы хотите успокоить передок вашего автомобиля при ускорении. Это также немного снизит поворачиваемость, вход в поворот будет намного менее агрессивным.

Есть кое-что еще, что делают все виды схождения: они убирают запаздывания. Противостоящие силы, они обычно небольшие, выбирают все люфты в подвеске и нагружают колеса в боковом направлении. Эти силы немного деформируют каркас шины, что ускоряет реакцию автомобиля, без какого-либо запаздывания.

Оборотной стороной большого схождения является в первую очередь потеря энергии, или скорости. По мере увеличения схождения будет теряться все большая часть скорости, так как угол бокового увода будет соответственно увеличиваться. Чем больше сцепление на трассе, тем больше будут потери энергии, поэтому избегайте больших величин схождения при наличии высокого сцепления. Также, большая величина схождения создает большие углы бокового увода даже при движении автомобиля по прямой. Это не очень хорошая стартовая точка, так как большие углы бокового увода вызывают потерю сцепления.

 

Угол схождения измеряется в градусах, это угол между центральными линиями колес.

Нормальные значения для переднего схождения лежат в диапазоне от -1,5 до +1,5 градуса, любое большее значение приведет к странным эффектам в управлении. Для заднего схождения обычно используются значения от 0 до -3,5 градусов, немного меньше для шоссейных автомоделей.

 

Эффект Аккермана

Как вы могли догадаться, эффект Аккермана был открыт Рудольфом Аккерманом во времена повозок с конной тягой. Все это относится к поиску правильных углов поворота передних колес автомобиля (или повозки) для осуществления корректного поворота.

 

Здесь приведена ситуация, когда автомобиль не поворачивает: линии, продолжающие передние и задние оси, не пересекаются. Ни одно из колес не имеет угла бокового увода и все оси находятся под одним углом (0 градусов).

 

Здесь тот же самый автомобиль выполняет относительно широкий поворот. Точка, в которой линии осей пересекаются, является точкой, вокруг которой автомобиль поворачивает. Это центр кругового пути, по которому следует автомобиль. Заметьте, что ни у одного из колес нет угла бокового увода, а внутреннее переднее колесо повернуто немного больше, чем внешнее переднее колесо. Для широких поворотов это не имеет значения, но это только начало.

 

Здесь автомобиль преодолевает относительно крутой поворот. Радиус окружности, которую описывает автомобиль, является очень небольшим.

Заметьте, что существует значительная разница в углах между двумя передними колесами. Разница становится еще больше, когда поворот становится еще круче. Это и есть эффект Аккермана.

Изготовление рулевого механизма, который производит совершенные углы для удовлетворения теории Аккермана, является очень сложным, если не невозможным. Однако несколько типов элементарных рулевых механизмов производят углы, которые достаточно хорошо приближаются к идеальным. В конце концов, остаются некоторые люфты в компонентах рулевого управления и колеса могут поглотить последние остатки посредством деформации боковин шин.

 

Эта теория хороша, и для обычных автомобилей будет неплохо иметь правильные настройки аккермана при предельном повороте, так как это позволит автомобилю лучше и более ровно поворачивать в крутых поворотах, например во время парковки и маневрирования. Но когда вы гоняетесь, шины так или иначе имеют тенденцию скользить, так что вы можете немного поиграть с углами.

Угол между двумя передними колесами определяется как "угол Аккермана", и он может изменяться с помощью регулировки тяг рулевого управления.

Большой угол Аккермана обеспечит вам ровное, предсказуемое управление. Вы сможете совершать повороты без того, чтобы все четыре колеса пытались направить автомобиль в другом направлении. С другой стороны, небольшой угол Аккермана обеспечит вам более агрессивное управление, особенно при входе в повороты. Однако, это не гарантирует, что передок не будет сносить время от времени. Не будет ровным и радиус поворота. Это может быть полезным на трассах с высоким сцеплением, если ваш автомобиль имеет тенденцию к избыточной поворачиваемости в середине поворотов, и вы хотите немного более крутого входа в поворот.