В наши дни плохое управление болидом кажется невозможным, учитывая доступ к гигабайтам записанных данных, моделированию шин и инструментам симуляции, включая CFD и оптимизацию времени прохождения круга. Кажется, что с помощью небольшого количества тестов и огромного массива доступной информации можно оптимизировать настройки и управляемость автомобиля за считанные минуты, а не за недели или даже месяцы, как раньше.
Однако, несмотря на всю информацию, которую мы собираем и анализируем, все еще легко заблудиться на минном поле вариантов настройки и убедить себя в том, что у нас все еще недостаточно информации. Я знаю, потому что я был там и делал именно это, к счастью, в начале своей карьеры, а не в последнее время.
Нетрудно представить, как корректировка в последнюю минуту на пит-лейн во время квалификационной сессии может привести к такой нестабильности, что столкновение с барьером или соперником станет неизбежным. Так почему же, когда на карту поставлено так много, включая жизнь гонщика, мы все еще слышим в интервью такие ответы, как "Мы изо всех сил старались правильно настроить машину" или "Машина могла бы быть лучше..."?
Схема ценностей
Настройка автомобиля - это, по сути, процесс принятия решений, хотя и высокотехничный, с использованием подробных данных телеметрии и субъективных отзывов водителя. Проще говоря, порядок действий следующий: во-первых, понять проблему и решения, которые необходимо принять; во-вторых, составить список доступных вариантов; в-третьих, присвоить ценность каждому варианту, чтобы их можно было отсортировать по схеме ценностей.
При тщательном подходе также рассматривается наиболее вероятный результат, если первый выбор будет действительно реализован, а также результаты любых других вариантов, имеющих высокую ценность. В области гоночного инжиниринга есть много инженеров-экспертов, которые могут предсказать изменения в управляемости даже при самых детальных изменениях настроек, но они все равно могут сделать неправильный выбор в самый ответственный момент. Аналогичным образом, есть много успешных инженеров, которые могут точно определить изменения в настройках на основе опыта и интуиции, но никогда не могут объяснить, почему и как они пришли к такому решению. Вторые считают, что сделать определенное изменение просто, почти естественно, а первые часто теряются в количестве доступных вариантов и их "плюсах и минусах".
Можно ли упростить процесс принятия решения о настройке, или это действительно так сложно, как нас убеждает Макс Ферстаппен? Действительно, как следует из этой статьи, процесс на самом деле довольно прост, хотя это не означает, что он обязательно будет легким.
Черты управляемости
Модель управляемости автомобиля (VHM), как показано на рисунке 1, одним из таких простых методов присвоения ценности каждому выбору настроек. Схема оценки основана на суммировании и ранжировании управляемости автомобиля по четырем категориям: стабильность (Stability), реакция (Response), баланс (Balance) и сцепление (Grip). К подробному описанию каждого пункта мы прибегать не будем. В рамках данной статьи я вкратце расскажу о них здесь.
Стабильность (Stability) - это способность автомобиля возвращаться на намеченную траекторию после преднамеренного или непреднамеренного нарушения линейности движения. Она имеет первостепенное значение, поскольку без стабильности водитель не уверен в себе и будет управлять автомобилем с запасом.
Реакцию (Response) можно рассматривать как временную задержку инерционного изменения, часто как время, необходимое автомобилю для "перенаправления". Однако, когда реакция связана с заданным инерционным выходом (скажем, ускорением рысканья) и входом водителя (скажем, углом поворота руля), мы можем сказать, что реакция - это мера того, насколько водитель контролирует ситуацию. Больший контроль дает больше уверенности.
Баланс (Balance), для этой цели, относится к хорошо известным состояниям недостаточной поворачиваемости / нейтральной поворачиваемости / избыточной поворачиваемости, только в рамках VHM баланс может быть оценен только тогда, когда автомобиль проходит поворот с максимальным или близким к максимальному боковым ускорением. В качестве примера можно привести недостаточную поворачиваемость в повороте, которая обычно считается проблемой баланса, но на самом деле является проблемой реакции в контексте VHM. Согласно большинству определений, несбалансированный автомобиль отклоняется от намеченной траектории при приближении к пределу бокового ускорения. Если передняя ось скользит на пределе, мы называем это недостаточной поворачиваемостью. Если сначала скользит задняя, мы называем это избыточной поворачиваемостью, а если обе оси скользят одновременно, мы называем ситуацию нейтральной поворачиваемостью. Во всех случаях плохой баланс приводит к снижению пикового бокового ускорения.
Последним в схеме ценностей, но все еще имеющим большое значение для производительности, является сцепление (Grip). Здесь оно определяется как способность автомобиля ускоряться (имеется в виду автомобиль как единое целое), а не как сцепление, создаваемое в каждом пятне контакта. Действительно, сцепление в каждом пятне контакта очень важно, поэтому мы будем называть его тягой.
Сила против слабости
VHM подчеркивает, что взаимосвязанная природа этих категорий является ключом к выбору того, какой сильной стороной следует пожертвовать, чтобы улучшить слабую сторону. Именно в изобилии сильных сторон кроется решение слабой стороны, и это формирует необходимую связь схемы ценностей с текущей проблемой.
Хорошая новость заключается в том, что есть только четыре категории, которые необходимо оценить, и часто компромисс становится очевидным. Плохая новость для некоторых заключается в том, что необходимо знать, какое изменение в настройках повлияет на целевую категорию обработки. Чтобы понять эти взаимосвязи, вам не нужно иметь ученую степень, но нужно помнить о понимании стабильности, реакции, баланса и сцепления при тестировании автомобиля. Следующий пример объясняет, как VHM может быть применен к автомобилю.
Для того чтобы провести нас через эту часть процесса, мы выберем очень распространенный монокласс - Porsche 911 GT3 Cup (991 II), который участвует в чемпионате Porsche Supercup, распространенной категории поддержки Формулы-1. Кому-то покажется, что этот автомобиль заводской сборки имеет относительно ограниченные возможности настройки, но команды, готовящие эти автомобили к гонкам, знают, что именно этот факт требует более глубокого понимания автомобиля и инструментов, чтобы досконально изучить его настройки и уметь находить улучшения. Несмотря на ограниченный выбор, сбиться с пути все равно очень легко.
Варианты настройки
В таблице 1 перечислены доступные варианты настройки для данного примера. Если мы используем рекомендованную заводом-изготовителем стартовую настройку, также указанную в таблице, мы можем обсудить влияние каждого изменения настройки на наши четыре категории управляемости. На данном этапе обсуждения очень важно подчеркнуть, что это мои комментарии, и они не согласуются или не согласуются с мнением завода Porsche. Опытные инженеры хорошо знают, что единого рецепта настройки не может существовать. Тем не менее, существуют определенные изменения в настройках, которые дают устойчивые повторяющиеся результаты для большинства условий, и именно их я хочу представить здесь.
Давление в шинах (Tyre pressure)
Первый параметр настройки - это давление в шинах, и он является самым важным. В установочном листе при выравнивании подвески для обеспечения стабильного измерения высоты подвески требуется давление в шинах. Это давление недалеко от рекомендуемого целевого давления, когда шины нагреты и стабилизированы. Можно согласиться с тем, что для данного угла развала, данной массы / вертикальной нагрузки и данной рабочей температуры существует оптимальное давление в шинах. Поскольку давление в шине является сильным параметром формы пятна контакта, оно будет оказывать значительное влияние на доступное сцепление.
Измерения распределения температуры в шинах, измерения износа шин и эволюция управляемости автомобиля по мере нагрева шин и создания давления - все это является ориентиром для определения идеального давления. Вполне возможно, что причиной плохой управляемости может быть ошибочное избыточное давление или медленный прокол, поэтому во всех случаях, прежде чем рассматривать изменения в шасси, необходимо сначала учесть стабилизированное давление в шинах, измеренное на автомобиле. С этого момента мы будем считать, что шины работают при идеальном давлении, и не будем рассматривать их как вариант настройки. Тем не менее, после значительного изменения настроек автомобиля следует провести несколько заездов, чтобы еще раз подтвердить идеальное давление.
Высота подвески (Ride Height)
Для гоночного автомобиля, который в значительной степени полагается на аэродинамику с граунд-эффектом, высота подвески влияет на величину и баланс аэродинамических сил спереди и сзади. Аэродинамические эффекты обсуждаются отдельно позже. В случае с 911 высота подвески влияет на кинематические параметры, в частности, на высоту центра крена, а также на соотношение коэффициента сопротивления. Если передняя высота подвески слишком велика, то центр крена будет высоким, а также высоким будет коэффициент сопротивления. Это наиболее существенно повлияет на баланс и приведет к недостаточной поворачиваемости.
Повышение высоты передней стойки может быть использовано для улучшения устойчивости, если другие изменения исчерпаны, но это не первый выбор. И наоборот, понижение высоты передней стойки улучшает реакцию на рулевое управление.
В случае с 911, как правило, автомобиль показывает наилучшие результаты, когда передняя часть находится на минимально допустимой высоте, что также оказывает аэродинамический эффект. Однако характерная компоновка автомобиля 911 с расположением двигателя сзади трансмиссии приводит к значительным изменениям управляемости при изменении настроек задней части автомобиля. Очень важно, что высота задней стойки может быть увеличена, что улучшает реакцию на вхождение в поворот, хотя чрезмерная высота задней стойки снижает устойчивость как в поворотах, так и при резком торможении.
Приближение к этому пределу устойчивости является обычной практикой для гоночных автомобилей с высоким полярным моментом инерции (и, как следствие, высоким сопротивлением при прохождении поворотов) путем предоставления водителю возможности скольжения автомобиля на фазе входа и более прямой линии на выходе из поворота. Эта техника может сработать для некоторых случаев, но она сопряжена с риском заноса и снижением срока службы шин, поскольку более высокий коэффициент сцепления способствует боковой передаче нагрузки с повышением температуры задних шин.
Поднятие задней части также приводит к повышению температуры шин. Недостатком этого является то, что более высокая температура приводит к повышению давления в горячих шинах, поэтому необходимо устанавливать более низкое давление в холодных шинах. Это затрудняет управление автомобилем, когда шины холодные, и возникает риск повреждения шины при езде на ней с низким давлением. Существует также дополнительный риск чрезмерного давления в задних шинах, что может привести к неустойчивости и избыточной поворачиваемости.
Если автомобиль нервничает (нестабилен) на входе в поворот или задние шины слишком нагреваются, можно уменьшить высоту задней подвески. Компромиссом в этом случае является снижение реакции на вход в поворот и смещение баланса в сторону недостаточной поворачиваемости в поисках большей стабильности.
Стабилизатор поперечной устойчивости (ARB)
Стабилизатор поперечной устойчивости (ARB) - это дополнительный элемент жесткости в подвеске, добавляемый для уменьшения крена кузова и настройки баланса. Смягчение передней ARB повлияет на баланс и уменьшит недостаточную поворачиваемость, но это будет сопровождаться ухудшением реакции, что приведет к "лени" автомобиля при прохождении поворота или при быстрой смене направления. Поэтому, если водитель жалуется на недостаточную поворачиваемость, необходимо определить, в какой фазе поворота возникает "недостаточная поворачиваемость".
Иногда повышение жесткости переднего ARB может улучшить реакцию на поворот, особенно в скоростных поворотах. Смягчение задней ARB сместит баланс в сторону большей недостаточной поворачиваемости, но при этом будет достигнут компромисс в стабильности и реакции. Если задняя ось слишком мягкая по крену, ей может потребоваться слишком много времени, чтобы войти в поворот, и эта задержка может вызвать ощущение раскачивания и недостатка контроля над кузовом, что сбивает водителя с толку и снижает уверенность.
Помимо влияния на баланс, ARB может также влиять на сцепление с дорогой. В условиях низкого сцепления с дорогой (пыльная, "зеленая" или влажная поверхность) жесткие настройки ARB снижают податливость подвески и движение одного колеса. Это может привести к тому, что в условиях низкого сцепления отдельные шины будут легче терять сцепление с дорогой. Действительно, на некоторых гоночных автомобилях принято отсоединять ARB, когда дорога мокрая, но если трасса высыхает в период, когда изменение настроек невозможно, автомобиль становится неустойчивым без дополнительной поддержки крена. Сопротивление ARB увеличивается с ростом угла крена, поэтому, когда шасси работает только при малых углах крена (вход в поворот), относительный тюнинговый эффект ARB невелик.
Развал (Camber)
Конструкция шин и нагрузки на них определяют, какой наклон каждая шина должна иметь по отношению к дороге для оптимального сцепления. Однако в реальности трудно определить, каков этот наклон на самом деле из-за особенностей подвески и шасси. Даже трудно контролировать колесо для достижения идеального развала, но это отсутствие совершенства не должно мешать поиску "хорошего" или, по крайней мере, "лучшего, чем остальные".
Шина, наклоненная вершиной к автомобилю, будет иметь два физических результата. Во-первых, конструкция шины "настраивается" в направлении, противоположном боковой нагрузке, приложенной к ней в повороте. Во время поворота давление в пятне контакта распределяется более равномерно, что приводит к улучшению сцепления и более равномерному износу шины. Несмотря на возможный неравномерный износ, некоторые шины действительно работают лучше при относительно большом отрицательном развале (под этим я подразумеваю более пяти градусов), и это связано с физической тенденцией шины с развалом поворачивать в направлении наклона. Это называется тягой развала. Больший развал дает большую тягу, что приводит к увеличению реакции на вход в поворот и увеличению сцепления при высоких боковых ускорениях (в боковом смысле).
Увеличение развала спереди может повлиять на баланс и уменьшить недостаточную поворачиваемость, хотя чрезмерный развал, превышающий идеальный, может уменьшить размер пятна контакта и сцепление с дорогой. В условиях низкого сцепления, таких как сильный дождь или снег, внезапное изменение статического трения на динамическое на передних шинах может привести к нестабильному состоянию, которое часто называют "плугом". Эту ситуацию можно сравнить с падением мотоцикла без возможности восстановления, когда передняя шина теряет сцепление с дорогой.
Увеличение развала спереди также улучшает реакцию, но в ущерб сцеплению с дорогой. В этом случае тяга развала на каждой шине действует в противоположных направлениях, что может вызвать эффект "колеи" при движении по ухабистой дороге. Небольшое изменение угла поворота руля приводит к тому, что усилие развала внезапно увеличивается на внешней шине и уменьшается на внутренней, в результате чего реакция сил приводит к появлению момента поворота и ускорения рысканья в направлении движения.
Чем больше развал автомобиля, тем больше тяга и тем больше реакция. Однако имейте в виду, что гоночный автомобиль, который и так почти неустойчив, может стать неустойчивым при чрезмерном переднем развале. В результате передний развал может быть уменьшен для улучшения устойчивости, но в обмен на это реакция и баланс будут смещены в сторону недостаточной поворачиваемости.
Увеличение заднего развала может снизить устойчивость при торможении, так как давление в пятне контакта распределяется неравномерно, а давление в пятне контакта, сосредоточенное на внешнем плече шины во время поворота, может сместить баланс в сторону избыточной поворачиваемости и, в крайнем случае, снизить устойчивость, если пятно контакта внезапно сместится.
В любом случае, увеличение развала концентрирует давление в пятне контакта на внутреннем плече при прямолинейном движении, уменьшая доступное сцепление для торможения. В результате увеличение развала снижает эффективность торможения и может привести к блокировке шин или раннему срабатыванию ABS. Эффект второго порядка заключается в том, что снижение тормозного ускорения уменьшает передачу нагрузки на переднюю ось при входе в поворот, снижая реакцию и, возможно, смещая баланс в сторону недостаточной поворачиваемости.
Схождение (Toe)
Самой чувствительной настройкой является регулировка схождения, поскольку очень небольшие изменения могут привести к значительным последствиям. Увеличение угла переднего схождения влияет на баланс и приводит к недостаточной поворачиваемости в ущерб реакции. Положительное схождение спереди создает мгновенный эффект Аккермана в повороте (когда внутреннее колесо поворачивается сильнее, чем внешнее). Это улучшает реакцию, но в ущерб устойчивости и смещению баланса в сторону избыточной поворачиваемости, если эффект Аккермана остается доминирующим в средней фазе поворота.
Для улучшения устойчивости может помочь уменьшение угла схождения переднего колеса, если другие варианты исчерпаны. Более эффективным в улучшении устойчивости является задний угол схождения. Увеличение заднего угла схождения улучшит устойчивость, но в качестве компромисса с реакцией и балансом, а также со смещением в сторону недостаточной поворачиваемости. Чрезмерный угол схождения может повысить температуру шин за счет увеличения бокового трения, в результате чего снижается ускорение и износ шин.
Тормозной баланс (Brake Bias)
Проще говоря, когда автомобиль находится на пределе баланса при торможении, все четыре пятна контакта шин испытывают небольшое скольжение, и каждая шина близка к блокировке. Регулировка смещения тормозного усилия в заднюю сторону приведет к передаче большего тормозного момента на задние тормоза. В результате задние шины окажутся на пределе торможения (и сцепления), а передние получат больше тяги для поворота. Когда задние шины заняты торможением на пределе, они легче скользят вбок при побуждении передних, что улучшает реакцию в повороте. Поэтому регулировка смещения назад улучшает реакцию, но в ущерб стабильности. С другой стороны, регулировка смещения вперед, чтобы передние шины находились на пределе, улучшает стабильность, но может снизить реакцию и, возможно, вызвать смещение баланса в сторону недостаточной поворачиваемости в поворотах с глубоким торможением.
Скорость пружины (Spring Rate)
В Porsche Carrera Cup скорости пружин фиксированы и не могут быть использованы в качестве инструмента тюнинга. Однако для полноты картины важно включить их в обсуждение. Не вдаваясь в излишние подробности, можно сказать, что скорость пружин выбирается исходя из доступного сцепления с дорогой и степени контроля кузова/платформы, необходимой для автомобилей, зависящих от аэродинамических сил. Как правило, более мягкие пружины обеспечивают большую податливость и большее сцепление с дорогой в условиях низкого сцепления, но за это приходится платить.
Относительная жесткость передней части автомобиля по сравнению с задней частью, обеспечиваемая пружинами при крене шасси, может влиять на баланс, при этом при более мягких передних пружинах смещение в сторону меньшей недостаточной поворачиваемости. Однако если жесткость пружин значительно не соответствует условиям, автомобиль станет менее устойчивым либо из-за недостаточного контроля передачи нагрузки (слишком мягкие пружины), либо из-за плохого сцепления с дорогой (слишком жесткие пружины).
Аэродинамика
В контексте VHM аэродинамика рассматривается в основном с учетом результирующих сил на пятнах контакта, а не сил на кузове. В этом случае увеличение прижимной силы увеличивает сцепление с дорогой, но необходимо обратить внимание на компромисс. Если увеличение вертикальной нагрузки приходится в большей степени на переднюю ось, баланс автомобиля изменится в сторону уменьшения недостаточной поворачиваемости, в то время как избыточная нагрузка увеличит реакцию в повороте и даже сделает автомобиль менее устойчивым. Если увеличение нагрузки приходится на заднюю ось, автомобиль приобретет устойчивость, но реакция уменьшится. Чрезмерная прижимная сила без достаточной вертикальной поддержки со стороны подвески может привести к заземлению, повреждению шасси или внезапному изменению прижимной силы, что сделает автомобиль неустойчивым.
Как было отмечено в приведенном выше примере, увеличение угла наклона переднего крыла улучшит реакцию в ущерб устойчивости и переходу к балансу избыточной поворачиваемости. Увеличение угла наклона заднего крыла улучшит стабильность в компромиссе с реакцией и балансом.
Заключение
Модель управляемости автомобиля является инструментом для визуализации четырех категорий управляемости и служит напоминанием о том, что оптимальная управляемость может быть достигнута путем использования сильных сторон автомобиля для улучшения его слабых сторон. Мы отдаем приоритет устойчивости и реакции перед балансом и сцеплением, чтобы обеспечить водителю уверенность и контроль, чтобы довести автомобиль до предела. Затем можно оптимизировать баланс и сцепление.
Несмотря на простоту процесса, ключ к эффективным изменениям - это изучение автомобиля и его реакции на изменения в настройках. Для этого вам не нужно получать университетское образование или использовать программное обеспечение для моделирования, вам просто нужно подходить к тестовым сессиям с открытым сердцем и планом заездов, сфокусированным на изучении автомобиля, а не на простом поиске самого быстрого круга. Тогда у вас будет необходимая информация, и вы сможете внедрить процесс для принятия эффективных решений по настройке с уверенностью.