Глава 4: Перенос веса

Любое транспортное средство имеет определенный вес. В статических условиях (нет движения), этот вес распределен так, как объяснено в главе 6. Третий закон Ньютона, сила = масса * ускорение, подразумевает, что при ускорении транспортного средства в любом направлении, появляются дополнительные силы. Например, когда ваш автомобиль приземляется после прыжка, его скорость опускания быстро снижается. По существу, он внезапно прекращает падать вниз. Дополнительная сила, связанная с этим, равна массе автомобиля умноженной на ускорение.

Переведем это в числовой пример: предположим, что автомобиль падал вниз 1 секунду. Прямо перед тем, как он достиг поверхности, скорость его падения равнялась: g * 1 сек = 10 м/сек. Допустим, что вес автомобиля 1 кг = 10 ньютон, и его подвеске требуется 0,1 сек для поглощения импульса приземления. Сила, влияющая на колеса, равна 1 кг * 10 м/ сек / 0,1 сек = 100 ньютон = 10 кг. Так как автомобиль приземляется за долю секунды, его вес равен 100 ньютон вместо 10 ньютон.

Вывод, который я пытаюсь здесь сделать, является следующим: вес автомобиля, и следовательно нагрузка на колеса, все время изменяется. Однако, масса автомобиля остается постоянной. Дополнительные силы возникают при любом ускорении, или другими словами, при изменении величины или направления скорости.

Вы можете спросить, почему это так важно? Это просто: величина веса на каждом колеса определяет его потенциал сцепления и, следовательно, управление автомобилем. Фактически, можно сказать, что управление переносом веса является самой важной вещью в гонках, а также тем, что отличает хороших водителей от посредственных. Знание того, где находится вес вашего автомобиля и поддержание ваших колес прямо на их пределах, без внезапного соскальзывания, это и есть то, что делает вас быстрым.

Так как мы ездим в трехмерном мире, перенос веса происходит в 3 направлениях. Если есть движение вверх или вниз, вес может прибавляться или вычитаться. Вертикальное измерение немного отличается от двух горизонтальных из-за силы тяжести. Вес автомобиля может изменяться от нормального (на ровной дороге) до в несколько раз большего (попадание на восходящую секцию или передний скат ухаба), до невесомого (полет в воздухе), до в несколько раз меньше, чем нормальный (на обратной стороне ухаба или на нисходящей секции трассы). И не забудьте, что есть еще аэродинамическая прижимная сила, которая также увеличивает вес автомобиля. К счастью, в других двух измерениях, общий вес остается постоянным, он может только смещаться с одной стороны на другую. Например, когда вы ускоряетесь, вес смещается с передних колес на задние колеса, но общий вес остается неизменным. Когда вы проходите поворот, происходит то же самое, просто в другом направлении: вес смещается с внутренних колес на внешние колеса, и снова общий вес остается неизменным. Для простоты, давайте игнорируем первый случай, и предположим, что с этого момента трасса является совершенно ровной.

Рассмотрим этот автомобиль: ЦТ ( фиолетовый) расположен прямо в центре. Он движется с постоянной скоростью (если он стоит неподвижно, его скорость равна нулю), по совершенно ровной поверхности, прямо вперед, поэтому все колеса нагружены одинаково. Вес автомобиля равен W , вес на каждом колесе равен W/4.

Заметьте, есть небольшая неточность в рисунке: голубые стрелки интерпретируются как вес на колесах. Неточность состоит в том факте, что все другие изображенные силы действуют на автомобиль, а эти изображены, как вызванные автомобилем.

4.1 Поперечный  перенос веса

Прежде всего, не все силы отображены, это перегрузит картинку. На каждое колесо действует горизонтальная сила, все четыре силы противодействуют одной желтой стрелке. По существу они являются силами сцепления колес с дорогой. Вектор веса также не отображен, он должен действовать вниз из ЦТ (центр тяжести, фиолетовая точка), все остальные силы отображены.

Желтая стрелка показывает центробежную силу. Она является результатом инерции всего автомобиля. Она действует в ЦТ, и направлена прямо из центра кругового пути, по которому следует автомобиль. Эта сила имеет результатом вращающий момент на автомобиле, который должен быть скомпенсирован, как говорится во втором законе Ньютона. Противодействие заключается в том факте, что внешние колеса нагружены больше, чем внутренние. Так как общий вес автомобиля остается постоянным, весь вес, который снимается с внутренних колес, прибавляется к внешним колесам. Другими словами, вес смещается на внешнюю сторону поворота.

Результаты является как важными, так и множественными. Неравная нагрузка на колеса обычно означает, что общая величина сцепления снижается, приводя к уменьшенной устойчивости к боковым ускорениям. Также, вышеупомянутый вращающий момент может накренить корпус. В этом примере автомобиль не будет накреняться, так как у него нет подвески. Корпус также не будет накреняться, если ЦТ находится на оси крена. Тот факт, что корпус кренится или нет, не влияет на величину переносимого веса (предположим, что ЦТ не очень смещается при крене автомобиля). Это однако определяет, куда собирается переместиться большая часть переносимого веса. Конечно, в этом примере это легко: что бы не происходило, левый передний переходит на правый передний, и что бы не происходило, левый задний переходит на правый задний. Другими словами, автомобиль симметричен и остается таким, так как у него нет подвески. Но в реальном автомобиле это происходит по-другому: предположим, что задняя часть автомобиля крениться больше, чем передняя, так как задний центр крена расположен очень низко или задние пружины очень мягкие. Больший вес будет переноситься на правое заднее колесо. Конечно, некоторый вес также будет перенесен на правое переднее колесо, но он будет меньше. Это создаст для автомобиля состояние недостаточой поворачиваемости. И вдобавок ко всему, есть ускорение и торможение, они также переносят вес назад или наоборот вперед. Именно поэтому вы обычно можете облегчить состояние недостаточной поворачиваемости с помощью притормаживания. Это перенесет вес вперед, где вы сможете использовать его для обеспечения немного большего сцепления спереди, чтобы управлять автомобилем. Все рассмотренные обстоятельства определяют, сколько веса идет туда, где есть проблемы. Масса обстоятельств идет в расчет, например жесткость пружин, жесткость стабилизаторов поперечной устойчивости, высота центров крена, ход подвески и т.д.

Сначала, давайте сфокусируемся на том, сколько веса переносится. Достаточно легко получить количество перенесенного веса, в сущности, это различие в весе на двух колесах, оно равно центробежной силе (желтая стрелка), умноженной на высоту ЦТ и разделенной на ширину колеи автомобиля. Центробежная сила равна боковому ускорению автомобиля (выраженному в g ), умноженному на его общий вес. Боковое ускорение равно скорости автомобиля в квадрате, разделенной на радиус поворота.

Из этого мы может сделать вывод, что величина переносимого веса пропорциональна высоте ЦТ и обратно пропорциональна ширине колеи автомобиля. Именно поэтому большинство гоночных автомобилей конструируются максимально низкими и настолько широкими, насколько позволяют правила, это минимизирует перенос веса, что в свою очередь предотвращает снижение общего сцепления. Это также пропорционально статическому весу автомобиля, другой причине, почему гоночные автомобили должны быть максимально легкими, снова для минимизации переноса веса. Величина переносимого веса зависит также от факторов, которые не относятся непосредственно к автомобилю, например скорость, и радиус окружности, которая аппроксимирует путь следования автомобиля. Тот факт, что величина переносимого веса пропорциональна радиусу поворота, является одной из причин, почему большие, плавные радиусы являются линиями максимальной скорости при прохождении поворотов: это минимизирует перенос веса, а также максимизирует общее сцепление и устойчивость к боковым ускорениям.

4.2 Продольный перенос веса

И снова некоторые силы не отображены: например, силы двигающие автомобиль. Они действуют в пятнах контакта ведущих колес и направлены в том же направлении, что и белая стрелка. Вес автомобиля также не показан.

Как всегда, когда объект подвергнут ускорению, есть сила инерции, действующая на ЦТ (показана желтым). Это имеет результатом вращающий момент, который компенсируется смещением веса с передних колес на задние колеса. Вне зависимости от того, какой вес переходит с передних колес на задние колеса, и пока ускорение происходит на прямой линии, перенос веса происходит симметрично.

Наличие немного большего веса на задних колесах может быть полезным для заднеприводного автомобиля, который ускоряется на прямой линии, но из-за уменьшенного веса спереди автомобиль будет страдать от недостаточной поворачиваемости. Применяются те же принципы, как и с поперечным переносом веса: так как колеса загружены неравномерно, общая величина доступного сцепления уменьшается. Именно поэтому самым быстрым способом прохождения поворотов будет прохождение без торможения или ускорения. Излишне говорить, что вам для этого необходим хорошо сбалансированный автомобиль, без недостаточной или избыточной поворачиваемости. Есть еще одно обстоятельство, перенос веса не зависит от угла наклона автомобиля. Автомобиль, вероятно, будет клевать при торможении, и приседать при ускорении, но величина веса этим не затрагивается. Если конечно высота ЦТ сильно не изменяется. Это может случиться, если автомобиль имеет большой отрицательный ход подвески. Вообразите, что передняя часть поднялась довольно высоко, а задняя часть не очень присела. ЦТ немного поднимется, что в свою очередь способствует большему переносу веса. Так начинается подъем на дыбы, ЦТ поднимается, что вызывает еще больший перенос веса, что вызывает увеличение заднего сцепления, что может поднять переднюю часть еще выше - эффект подобен лавине.

Формула для количества переносимого веса очень похожа на предыдущую. Теперь это сила инерции, умноженная на высоту ЦТ, разделенная на колесную базу (вместо ширины колеи). Сила инерции равна ускорению вперед или назад, умноженному на массу автомобиля. Поэтому низкий ЦТ и длинная колесная база вызывают меньший продольный перенос веса. И как всегда, переносимый вес пропорционален ускорению.

Как объяснялось ранее, гоночные автомобили должны быть низкими и широкими, поэтому из предыдущего вы должны ожидать, что они также должны быть максимально длинными. Это не всегда так. Заднеприводные автомобили, например, могут использовать немного больший вес на своих задних колесах, когда они ускоряются, для предотвращения пробуксовывания. Небольшая недостаточная поворачиваемость при ускорении позволяет вам увеличить мощность, не беспокоясь о пробуксовывании.

Но это не единственная причина: автомобили с длинной колесной базой имеют тенденцию немного вяло управляться в тесных, медленных поворотах, они недостаточно подвижные. Поэтому, вообще говоря, длинная колесная база больше подходит для больших, плавных, высокоскоростных трасс, а короткая колесная база больше подходит для тесных, извилистых трасс.

Вернуться к списку   Обсудить на форуме