Потоки швидкості: рух масла при різних швидкостях штока
«У WRC машини відмінно стрибають, так як у них ідеальна по осях, 50х50, - розповідає Геннадій Брославський, - нам же, в групі №2, де автомобілі повинні залишатися практично серійними, доводиться чаклувати з баластом і настройками».
Наприклад, якщо у автомобіля на передню вісь доводиться більшу вагу, ніж на задню, після стрибка вона буде клювати носом. Однак якщо зробити зусилля стиснення передніх підвісок більше, ніж зад-них, то з трампліну машина буде вилітати, заздалегідь піднявши перед. Не варто забувати, що підвіски повинні бути досить жорсткими на стиск, щоб при приземленні не спрацьовує на повний хід (не "пробиватися»)
Багатьом ралійних пілотів знайома така ситуація: хороший автомобіль підготовлений за вищим класом, гонщик проявляє чудеса концентрації і пілотує болід на межі власних можливостей - а в результаті займає місце навіть не в першій десятці. Щоб побороти невдачі, ралліст вкладає колосальні кошти в запчастини, доводить до сказу нещасний мотор, а то і зовсім починає сумніватися у власних водійських якостях.
Але потім він знаходить правильні настройки підвісок і відразу отримує небачену раніше максимальну швидкість, «рейкову» керованість і довгоочікуване місце на подіумі.
Грунт під ногами
Автогонщики теж люди, і сильна тряска і удари можуть негативно позначитися на їх здоров'ї, і все ж міркування про комфорт ми залишимо любителям сімейних седанів. Всім відомо, що підвіски потрібні автомобілю, щоб якомога довше зберігати зчеплення всіх чотирьох коліс з дорогою. При цьому важливо, щоб колеса не тільки стосувалися дорожнього полотна, а й брали на себе якомога більшу частину ваги автомобіля. В ідеалі вага повинна розподілятися між колесами рівномірно. Але в безлічі ситуацій (крен автомобіля в повороті, виїзд на ухил, проїзд над ямою) у автомобіля буквально «земля тікає з-під ніг». У такій ситуації важливо, щоб підвіска не тільки дотяглася до землі, а й з достатнім зусиллям притиснула колесо до віддалилася дорозі, щоб уникнути пробуксовки. Здатність підвіски віджимати колесо від автомобіля називають відбоєм.
Інше важливе завдання підвіски - гасити удари при проїзді опуклих нерівностей, щоб вони не передавалися на кузов. Припустимо, автомобіль на високій швидкості наїжджає на камінь. Занадто жорстка підвіска передасть стрибок колеса на кузов. При цьому ходова частина зазнає небажану надмірне навантаження, а кузов підстрибне, захоплюючи за собою і розвантажуючи інші колеса. Крім того, на поштовхи кузова йде енергія, тому максимальна швидкість стрибає і вібруючого автомобіля буде менше. Якщо ж підвіска в такій ситуації дозволить кузову залишитися нерухомим, автомобіль збереже швидкість і керованість. Така властивість підвіски називається стисненням.
Стійка підвіски складається з пружини і амортизатори. Пружина виконує виключно силову функцію (утримує вагу кузова), поведінкою підвіски управляє амортизатор, причому його роль не зводиться виключно до гасіння коливань, як спрощено говорять в автошколах. Пружина підбирається за трьома основними параметрами: вона повинна забезпечувати необхідний хід підвіски при даному вазі автомобіля, а також створювати прогресію (при дуже сильному стисненні - прогресивно збільшувати зусилля, щоб підвіску не "пробивало»). Пружина повинна точно відповідати амортизатора, тому спортивні стійки підвіски часто продаються в зборі. На ралійних стійках нерідко можна зустріти подпружіннікі - короткі пружинки, встановлені під основними пружинами. Подпружіннікі м'якші, ніж основні пружини, вони добре відпрацьовують дрібні нерівності траси. А коли «пробиваються» (стискаються повністю), в справу вступають потужні основні пружини, здатні розібратися з серйозними перешкодами.
Дорожній просвіт ралійного автомобіля, як правило, регулюється не заміною пружин, а простою перестановкою їх чашок вище або нижче. Хід підвіски можна скорегувати, налаштувавши амортизатор, він обернено пропорційний зусиллю стиснення.
Поршні і клапани
Найпростіший амортизатор можна описати як заповнений маслом циліндр (приєднаний до колеса), всередині якого переміщається поршень (його шток з'єднаний з кузовом). У поршні є клапани. При стисненні масло з нижньої частини циліндра переходить через клапани в верхню, при відбої - навпаки. Через обмежену пропускну здатність клапанів створюється опір руху штока. При стисненні і відбої працюють різні клапани, тому, змінюючи їх перетин, можна змінювати зусилля стиснення і відбою окремо. Конструкція деяких амортизаторів, наприклад KONI Sport, дозволяє регулювати жорсткість, не піднімаючи автомобіль - досить просто відкрити капот або багажник. Регулювальний вентиль в них з'єднаний зі стрижнем, що проходить всередині штока прямо до поршня.
На цивільних автомобілях набули поширення двотрубні амортизатори. У них робочий циліндр з отвором в дні розташований всередині додаткового резервуару з маслом. Така конструкція дозволяє найпростіше реалізувати повітряний або газовий підпір, що перешкоджає вспениванию масла: газ можна закачати в верхню частину резервуара, там він і залишиться. Крім того, між робочим циліндром і резервуаром можна встановити додатковий клапан, керуючий зусиллям відбою або стиснення. Основний недолік двотрубного амортизатора - схильність до перегріву. Розігріте масло стає менш в'язким, і характеристики амортизатора кардинально змінюються.
Існують однотрубні амортизатори з газовим підпором високого тиску. У них газ відділяється від масла додатковим поршнем. Такі амортизатори добре охолоджуються, можуть працювати в будь-яких положеннях, в тому числі у горизонтальному положенні (на автомобілях типу «формула»). Однак вони вимагають безкомпромісної точності виготовлення і повністю виходять з ладу при витоку газу.
У амортизаторах фірми Ohlins, одного з провідних виробників спортивної підвіски, застосовується схема з виносним резервуаром, що поєднує в собі переваги однотрубних і двотрубних амортизаторів. Резервуар з'єднується з амортизатором перевернутого типу (циліндр з'єднується з кузовом, шток - з колесом) гнучким шлангом. Усередині резервуара розташовується компенсаційна камера з газом, відокремлена від масла додатковим поршнем. В останніх моделях фірми застосовуються довгі армовані шланги, які можна розташувати поруч з радіатором охолодження автомобіля. В клапанах Ohlins використовується алюмінієвий елемент, який розширюється при нагріванні і зменшує перетин, компенсуючи зміна в'язкості масла, завдяки чому амортизатори поводяться однаково в будь-яких умовах. Частина регулювань амортизаторів розташовується на виносних резервуарах і доступна під капотом.
Коли колесо автомобіля наїжджає на перешкоду, шток амортизатора розвиває значну швидкість. Масло не встигає проходити через клапани, і тиск усередині амортизатора суттєво зростає. Частина клапанів у вищих моделях амортизаторів Ohlins налаштована на спрацьовування лише при високому тиску. Такі стійки надають механікам можливість регулювання чотирьох роздільних параметрів: стиснення і відбою при високих швидкостях штока, стиснення і відбою при низьких швидкостях штока.
Біг з перешкодами
Висока швидкість штока означає, що колесо зіткнулося з серйозною перешкодою. Це може бути поребрик кільцевої траси, камінь, дорожня вибоїна, трамплін, западина і навіть колія, накатана в швидкісному лівому ряду на МКАД. Для різних нерівностей кращі різні настройки. При наїзді на горбок нам важливо, щоб удар не передався на кузов: зусилля стиснення має бути мінімальним. При цьому хотілося б, щоб колесо акуратно «облизало» нерівність, а не пролетіло над нею: не завадить велике зусилля відбою. При проїзді ямки ситуація змінюється з точністю до навпаки. Перш за все, хотілося б, щоб не провалитися в яму всім кузовом: не завадить сильний відбій. Потім бажано не вистрибнути з ями, як на трампліні: потрібно м'яке стиснення. Ось так і доводиться раллістом розриватися між суперечливими бажаннями і шукати компроміс, який є унікальним для кожної траси.
М'яко стелить, так жорстко їхати
Жорсткість амортизаторів при малих швидкостях штока визначає поведінку автомобіля на відносно рівній дорозі: на поздовжніх хвилях, на підйомах і спусках і, звичайно ж, в поворотах. Візьмемо простий приклад: поворот на рівному сухому асфальті, в якому навантажуються зовнішні колеса і розвантажуються внутрішні. При абсолютно жорстких підвісках (наприклад, при їх відсутності, як на карті) крен автомобіля буде мінімальним, максимум ваги автомобіля передасться зовнішнім колесам (що само по собі добре), проте навіть мінімального крену вистачить, щоб внутрішні колеса відірвалися від землі. При занадто м'яких підвісках крен буде значним, внутрішні колеса хоч і дотягнуться до землі, але виявляться недостатньо завантаженими і підуть в пробуксовку. При цьому в S-образному повороті може виникнути розгойдування. Очевидно, що для рівної дороги існує оптимальна настройка, коли крен буде невеликим, а притискна сила на колесах значна. Однак в деяких випадках від оптимуму варто відступити.
Добре налагоджена асфальтова машина може різко реагувати на керуючі дії, миттєво змінюючи курс при найменшому повороті керма. Така різкість вимагає надійного зчеплення коліс з дорогою. На слизькій дорозі різкі рухи можуть призвести до втрати управління. Машину краще зробити м'якшою: тоді керуючі дії не спровокують занадто сильні прискорення кузова, ситуація буде розвиватися плавно і передбачувано.
Крім налаштувань амортизаторів пілот може вибирати жорсткість стабілізатора поперечної стійкості (якщо це не заборонено правилами, як в групі №2). Стабілізатор перешкоджає крену в поворотах, але обмежує хід підвісок. Тому, скажімо, на прямий, що буяє буграми і ямами, автомобіль стабільніше і швидше проїде без нього.
Довіряйте професіоналам!
Окинувши поглядом всі перераховані вище суперечливі вимоги до підвісок, залишається тільки захоплюватися тими гонщиками і механіками, яким вдається на кожній трасі знаходити найменше з усіх зол. Геннадій Брославський описує процес пошуку так: «Я довіряю інженерам великих компаній, зокрема Ohlins, тому на будь-якій трасі ми насамперед встановлюємо налаштування, рекомендовані виробником для даного типу покриття. Потім я один за іншим проводжу тестові заїзди по трасі (особливо здорово, якщо на ній є закільцований ділянку) і описую механікам свої відчуття. Доводиться відчувати безліч різних варіантів налаштувань. Кращий суддя тут - секундомір. Коли знаходиш хороші настройки, часто здається, що поїхав повільніше - потрібно менше рухів, менше поспіху ».
Налаштування підвісок в значній мірі залежать від стилю і переваг пілота. «Є 'жорсткі' пілоти, готові стрибати і ловити машину після кожної купини заради того, щоб мати можливість максимально активно, гостро проходити поворот, - розповідає Геннадій. - А 'м'які' несуться по прямій, як на катері, і так само плавно, як по річці, входять і виходять з повороту ». Зрозуміло, настройки у них кардинально різняться.