Власть руля

Мы привыкли к тому, что основным органом управления автомобилем является руль. Казалось бы, он дает абсолютную власть над движением автомобиля. На самом же деле при скоростях, с которыми носятся машины Формулы-1, возникают явления, делающие прохождение виражей куда более волнующим процессом, чем простое вращение «баранки».

Избыток недостаточности
На рисунке 1 изображены различные типы поведения автомобиля Формулы-1 при прохождении поворота. На невысоких скоростях он охотно подчиняется рулю и движется в направлении, задаваемом пилотом (красная линия). Однако при движении в повороте на автомобиль действует центробежная сила инерции. Эта сила искушает как передние, так и задние колеса машины сорваться в боковое скольжение. Понятно, что по мере увеличения скорости рано или поздно одна из пар колес начнет боковое скольжение..

Если первыми сдались передние колеса машины, то ее носовая часть начинает разворачиваться наружу поворота, и машина стремится спрямить траекторию (рис. 1, А). Такое поведение называется недостаточной управляемостью (поворачиваемостью). Когда слабым звеном оказываются задние колеса, то уже «задок» машины начинает скользить наружу поворота, провоцируя машину ввинчиваться в поворот сильнее, чем ей предписано рулем (рис. 1, В). Возникает так называемая избыточная управляемость (поворачиваемость). Возможен и третий вариант, когда обе пары колес начинают скользить в боковом направлении одновременно. Машина смещается к наружной стороне поворота, но при этом все время остается параллельна траектории, задаваемой рулем (рис. 1, Б). Этот тип поведения машины получил название нейтральной управляемости (поворачиваемости).
Какой из этих трех типов управляемости предпочтительней? По правде говоря, это зависит от типа автомобиля, конфигурации трассы и многих других факторов, включая личные предпочтения водителя. Например, пичоты раллийных машин, обожающие проходить повороты с сильными заносами автомобиля, часто специально провоцируют избыточную управляемость автомобиля. При этом задняя часть машины эффектно забрасывается на внешнюю сторону поворота, и автомобиль нацеливается на следующую за поворотом прямую. Во время маневра пилот контролирует машину рулем и педалями, удерживая ее в управляемом заносе. Такой способ прохождения особенно эффективен на трассах с плохими сцепными свойствами, где движение «как по рельсам» оказывается неоправданным и для быстрого прохождения спецучастков приходится не только ехать, но и скользить по трассе.
Однако такой стиль вождения совершенно непригоден для «формул». Бешеные скорости в поворотах и гораздо большее сцепление колес с трассой делает срывы в занос резкими и трудноконтролируемыми. Интенсивные скольжения колес быстро погубят шины. А главное, для эффективной работы антикрыльев и других аэродинамических устройств автомобилей очень важно, чтобы воздух обтекал их не сбоку не наискосок, а точно спереди. При попытке пройти медленный поворот-«шпильку» «по-раллийному» пилот Формулы-1 может потерять своего верного союзника - прижимную силу - и не только не улучшить времени прохождения круга, но и оказаться за пределами трассы.
Поэтому движение автомобилей Формулы-1 мало напоминает раллийный слалом, а инженеры и пилоты стремятся добиться от машины управляемости, близкой к нейтральной. Нейтральная управляемость позволяет лучше контролировать машину, двигаясь ближе к пределу ее возможностей. Представьте себе автомобиль с ярко выраженной избыточной управляемостью. Если пилот такой машины слишком активно давит на педаль «газа» в повороте, задние колеса срываются в занос, и машину начинает разворачивать поперек трассы. Усугубляет положение нарушенная аэродинамика. Лишь большое мастерство и хладнокровие может помочь пилоту сохранить контроль над машиной, хотя в любом случае время на круге вряд ли будет впечатляющим. В итоге гонщик просто не станет рисковать, чтобы, не дай бог, не спровоцировать разворот автомобиля. Гораздо комфортнее будет чувствовать себя пилот машины с нейтральной управляемостью, ведь за гранью сцепных возможностей шин его ждет одновременное скольжение всех четырех колес, при котором машина остается параллельной выбранному пилотом курсу и не стремится развернуться поперек трассы или выехать за ее пределы. Пилот может позволить себе ехать не только близко к грани скольжения, но и за этой гранью. Телезрители часто могут видеть, как выходя из очередного поворота, автомобиль Формулы-1 вылетает на внешний бордюр трассы, скользя всеми колесами, как бы подтверждая, что пилот выжимает из машины все, что можно.
Следует оговориться, что в некоторых поворотах предпочтительней оказывается настройка машины на небольшую избыточную или недостаточную управляемость. Например, в крутых «эсках» легкая избыточная управляемость может оказаться на руку. Однако в любом случае для внешнего наблюдателя автомобили Формулы-1 не совершают столь эффектных кульбитов, как раллийные машины, и слишком явная избыточная или недостаточная управляемость вряд ли доставляет пилотам большое удовольствие. Хотя многие гонщики часто говорят, что предпочитают настройки с небольшой избыточной управляемостью. Управляемость является характеристикой, определяющей терпимость машины к попыткам гонщика «прыгнуть выше головы». А вкус к избыточной управляемости в среде пилотов считается признаком мастерства и, в известной степени, лихости.

Как управиться с автомобилем.

Есть четыре основных способа получения нужной сбалансированности автомобиля Формулы-1.

1. Изменение положения центра масс. Таким образом можно изменить распределение центробежной силы инерции между передними и задними колесами. Ограничение минимального веса автомобиля с гонщиком 600 кг приводит к тому, что автомобиль современной Формулы-1 таскает на себе порядка 80 кг балласта, что было бы фактом довольно прискорбным, если бы не возможность менять положение центра масс машины за счет смещения точек крепления балласта. Избыточную управляемость обычно лечат смещением центра масс машины вперед, недостаточную - обратным действием.

2. Изменение настроек передней и задней подвесок. Позволяет изменить эффективность сцепления колес с трассой. Особенно эффективен этот прием в медленных поворотах. Например, на относительно неровной бразильской трассе слишком жесткая настройка подвески приводит к снижению сцепных свойств шин с трассой за счет постоянных колебаний колес и шасси относительно дороги, что влечет за собой снижение средней силы сцепления. Поэтому при возникновении, скажем, недостаточной управляемости «смягчение» передней подвески может оказаться эффективным мероприятием. Другой пример: на Гран При Италии многие команды применяют достаточно жесткие настройки задних подвесок. В результате в крутых «эсках» Prima Variante и Seconda Variante, где происходит активная атака бордюров, при наезде заднего колеса автомобиля на бордюр «круп» машины подскакивает вверх, что вызывает заметную избыточную управляемость автомобиля, облегчающую гонщику прохождение этих замысловатых частей трассы.

3. Изменение аэродинамического баланса. Позволяет по-разному распорядиться прижимной силой, меняя ее составляющие, действующие на передние и задние колеса. Таким способом влияют на управляемость машины на больших скоростях. Учитывая высокую гибкость аэродинамических настроек автомобилей Формулы-1, проблем с достижением нужного баланса машины на высоких скоростях обычно не возникает.

4. Изменение сцепных свойств передних и задних шин. Может принести результат, например, когда не удается избавиться от избыточной управляемости машины другими средствами. Тогда, поставив вперед слегка изношенные покрышки, удается ухудшить цепкость передней части автомобиля, снизив тем самым вертлявость его «кормы». Думается, пилоты много отдали бы за наличие на руле автомобиля рычажка, позволяющего изменять сцепные свойства передних и задних шин прямо во время гонки.

Недостаточность руля.

Помимо перечисленных факторов тип управляемости автомобиля очень сильно зависит от режима его движения. Одно дело, когда, поворачивая, пилот не давит на педали «газа» и тормоза, и автомобиль катится свободно. В этом случае силы трения между колесами и поверхностью трассы направлены в поперечном направлении, и поведение машины определяется в основном четырьмя изложенными выше факторами.
При нажатии на педаль «газа» ведущие задние колеса догружаются помимо поперечной еще и продольной составляющей силы - тяговой силой (рис. 2). Векторная сумма этих двух составляющих всегда больше каждой из них, поэтому задние колеса оказываются перегруженными и более склонны к неповиновению. И автомобиль, который при свободном качении вел себя достаточно пристойно, может обнаружить склонность к избыточной управляемости, как только пилот начинает терзать педаль «газа». Более того, педаль «газа» может выступать порой даже более эффективным средством управления, чем руль. Вы все видели, как в случае необходимости (например, чтобы быстро вернуться на трассу после вылета) гонщики лихо разворачивают свои автомобили практически на месте, вывернув руль и дав полный «газ». На большой же скорости педаль «газа» выступает в качестве достаточно эффективного регулятора, позволяющего в случае необходимости быстро создать избыточную управляемость и «довернуть» автомобиль без использования руля. Однако занятие это весьма рискованное, требующее поистине акробатического чувства равновесия и ловкости.
При торможении ситуация еще сложнее, ведь тормоза нагружают обе пары колес, причем в определенном соотношении, называемом тормозным балансом. Добавьте сюда явление переноса массы с задних колес на передние, а также резкое снижение аэродинамической прижимной силы по мере торможения. Поворот руля при торможении на большой скорости, скорее всего, приведет к возникновению избыточной управляемости (причем вряд ли поддающейся контролю). При невысокой скорости на торможении обычно в первую очередь блокируются передние колеса, то есть автомобиль склонен к недостаточной управляемости. Вообще, усилия, действующие на колеса при торможении, столь велики, что вертеть рулем во время этого ураганного процесса становится более чем рискованно, поэтому зона торможения обычно предшествует моменту, когда пилот, поворачивая руль, нацеливается на апекс поворота.
Таким образом, машина безоговорочно подчиняется рулю только при относительно неторопливом движении. При движении на грани сцепных возможностей положение руля оказывается лишь одной из составляющих, которые определяют движение машины в повороте. В зависимости от настройки меняется и оптимальная траектория движения в повороте. Например, пилоту, машина которого даже при свободном качении обладает явно выраженной избыточной управляемостью, придется повременить с нажатием на педаль «газа» при выходе из поворота, дождавшись момента, когда автомобиль минует «кривую» часть траектории.
Сложность достижения хорошего баланса машины заключается и в постоянном изменении параметров, за него отвечающих. Так, машина, хорошо сбалансированная в начале гонки, может начать проявлять склонность к недостаточной управляемости из-за уменьшения массы топлива в ее баке или износе передних покрышек.
Словом, над этой непростой проблемой приходится попотеть. Но это того стоит: хорошо сбалансированный автомобиль позволит пилоту в полной мере реализовать свой «творческий потенциал», несбалансированная же машина повергнет гонщика в уныние, сопровождающееся пространными рассуждениями о нервности автомобилей Формулы-1, кризисе этого вида автоспорта и несправедливом устройстве мира в целом.

Артем Краснов