В этой статье мы вернемся к анализу шин. В этот раз поговорим об износе и о том, как с этим приходится работать.
Понимание, измерение и минимизация деградации шин - это золотой билет к победам в гонках и чемпионским трофеям во всех видах автоспорта. Однако, несмотря на то, что некоторые современные команды оснащены целыми отделами инженеров по шинам и имеют доступ к передовым моделям шин в режиме реального времени, специфическое поведение деградации шин по-прежнему вызывает у них недоумение.
В основном это связано с вязкоупругой природой резины. Вязкоупругий материал - это материал, который демонстрирует смесь восстанавливаемой упругой деформации и постоянной вязкой деформации. Другими словами, после деформации резины и снятия нагрузки она возвращается к своей первоначальной форме, но только через некоторое время. Это время, или задержка, между снятием нагрузки и возвращением резины к исходной форме называется гистерезисом, и во время гистерезиса часть подведенной энергии рассеивается в виде тепла.
Специфическое поведение резины зависит от продолжительности этого гистерезиса, количества тепла, выделяемого во время процесса, и модуля упругости резины. Однако эти три характеристики также зависят от частоты нагрузок (количество раз, когда резина подвергается нагрузке) и температуры. Поэтому в автоспорте, когда шины подвергаются постоянно меняющимся нагрузкам и температурам, вы можете оценить сложность поведения шин и то, насколько трудно его точно предсказать.
Генерация сцепления
Теперь мы немного понимаем поведение резины как материала, и нам нужно понять, как шины создают сцепление с дорогой. Это происходит двумя основными способами: молекулярная адгезия и вдавливание. Как следует из названия, сцепление происходит на молекулярном уровне, когда при вращении шины молекулы резины соединяются с дорожкой, а затем растягиваются. Вязкость резины сопротивляется этой деформации, что приводит к возникновению силы трения. Затем связь разрывается, и резина расслабляется, готовая к новому сцеплению.
Вдавливание, с другой стороны, происходит там, где шероховатость дорожки "возбуждает" резину, и, поскольку она не возвращается к своей первоначальной форме, эта асимметричная деформация создает силу трения. В целом, гибкость и гистерезис резины помогают генерировать силы трения, которые обеспечивают сцепление с дорогой. Резина демонстрирует максимальный гистерезис и подходящую гибкость, когда она близка к температуре стеклования. Вот почему температура шины так важна для понимания процесса деградации.
К сожалению, измерение температуры шины представляет собой еще одну проблему, поскольку в идеале необходимо измерять объемную температуру, которая находится в центре шины. Но пока не разработаны датчики, способные измерять температуру через резину, можно измерять только температуру каркаса. В настоящее время это делается с помощью датчика TPMS (системы контроля давления в шинах), установленного непосредственно на ободе колеса, где инфракрасный (ИК) элемент измеряет температуру нижней части каркаса.
Измерение температуры
Температура поверхности шины также может быть измерена с помощью инфракрасных датчиков, которые, например, в Формуле-1 устанавливаются либо на переднем крыле, либо на заднем днище. Они измеряют распределение температуры по множеству точек на поверхности шины.
Для измерения температуры поверхности также могут использоваться ИК-пушки и ручные датчики. Хотя это дает хорошее представление о том, когда поверхность перегревается, это может быть обманчивой метрикой. Например, если шина скользит или имеет плоское пятно, это вызовет скачок температуры поверхности, но минимально повлияет на объем шины. Поэтому при определении теплового состояния шины инженеры либо полагаются на температуру каркаса, поскольку она ближе всего к основной массе, либо рассчитывают температуру основной массы, что и делают команды Формулы 1.
"Существует миллион различных способов измерения объемной температуры, и у каждой команды будет свой собственный способ", - говорит Джоди Эггинтон, технический директор Alpha Tauri. "Мы будем знать температуру газа, температуру боковины, температуру поверхности и температуру обода. Из всего этого можно вывести объемную температуру. То есть, по сути, вы берете эти четыре измерения и получаете метрику".
После определения объемной температуры команды могут понять, находится ли шина в оптимальном рабочем диапазоне. По сути, это окно объемных температур, в котором шина создает наибольшее сцепление. Удержание шин в пределах этого окна является сложной задачей. При движении болида по трассе каждая из четырех шин нагружается по-разному и, соответственно, имеет различные колебания объемной температуры.
Однако характер каждой трассы играет важную роль в температуре шин и последующем износе. В Формуле-1 высокоскоростные и продолжительные повороты подвергают передние шины, в частности, высоким боковым нагрузкам, что приводит к перегреву поверхности, часто приводящему к образованию зернистости. Именно поэтому в Сильверстоуне передняя левая шина страдает от такого высокого уровня зернистости и износа. В то время как трассы с большим количеством низкоскоростных острых поворотов приводят к перегреву задних колес, поскольку водители подвергают их высоким продольным нагрузкам при ускорении на выходе из поворотов.
Хитрость заключается в том, чтобы сбалансировать сцепление по осям, чтобы добиться стабильной машины, с которой водитель может справиться. В момент потери сцепления автомобиль будет либо недостаточной, либо избыточной поворачиваемостью, а шина будет волочиться по трассе, что вызовет поверхностную и/или термическую деградацию.
Виды деградации
"Существует два, а возможно, и три типа деградации шин, и каждый тип имеет различные подгруппы в зависимости от того, на каком этапе находится автомобиль", - объясняет Эггинтон. "Во-первых, есть деградация износа, когда вы просто стираете резину [на поверхности шины]. При этом сцепление шины с дорогой уменьшается, и резина меньше выделяет тепла, поэтому труднее поддерживать правильное тепловое состояние шины".
"Затем происходит тепловая деградация, когда вы перегреваете шину, и она не работает в оптимальном рабочем диапазоне. В некотором смысле, это также связано с третьим типом деградации - химической, поскольку состав самой резиновой смеси также ухудшается".
Деградация поверхности или износ может проявляться несколькими различными способами, но каждый из них приводит к повреждению поверхности, что уменьшает площадь пятна контакта, приводя к снижению общего сцепления. Наиболее распространенным типом является зернистость. Это когда протектор нагревается сильнее, чем каркас шины, и небольшие участки резины начинают отделяться от основного состава. Под действием боковой силы эти частицы резины перекатываются по поверхности и снова прилипают к шине, образуя волнистые гребни на внешней стороне шины. Зернистость также может возникать, когда шина холодная, так называемая холодная зернистость. В этом случае протектор слишком холодный, и внешний слой отделяется от основной части шины при скольжении, образуя более узкие и линейные гребни.
Затем возникает пузырение, когда в середине протектора температура резины достигает точки кипения и начинают образовываться мелкие пузырьки. Если температура продолжает расти, эти пузырьки взрываются, разрывая поверхность шины и оставляя дыры из вареной резины. Образование пузырей чаще встречается в F1 и обычно происходит по центру задних шин и на внутреннем плече передних шин, так как это обычно самая горячая область.
Поскольку резина генерирует собственную температуру посредством гистерезиса, чем толще резина, тем больше тепла она выделяет, поэтому вероятность возникновения горячих точек возрастает. Интересно, что именно поэтому более жесткие составы иногда больше страдают от пузырения, так как у них ниже скорость износа, а значит, больше резины для перегрева.
Над обрывом
Как пузырение, так и зернистость приводят к потере резины и, следовательно, к быстрому износу участков шины. Но даже при отсутствии признаков деградации поверхности шина изнашивается, поэтому трек "стирается", и поэтому мы видим шарики на обочине. Меньшее количество резины означает меньшее выделение тепла, поэтому по мере снижения температуры основной массы уменьшается и сцепление, что приводит к скольжению и дальнейшему износу, и цикл повторяется. Это часто называется "обрывом" и является предметом кошмаров как для гонщиков, так и для команд.
К сожалению, как и все, что связано с резиной, износ является нелинейным и изменяется по ширине шины из-за разницы в давлении в пятне контакта. Следовательно, износ шин не только различен для каждого поворота автомобиля, но и зависит от типа резины, характера трассы, микро- и макронеровностей трассы, температуры окружающей среды и трассы. В некоторых случаях износ может быть настолько сильным, что шина может износиться вплоть до каркаса.
"Если вы используете полностью изношенную шину, вы обнажаете конструкцию. В этом случае вы рискуете гораздо больше, потому что конструкция не защищена протектором", - объясняет Марио Изола, глава подразделения F1 и автогонок в Pirelli. "Если вы наезжаете на обломки или ударяетесь о бордюр, вы рискуете повредить конструкцию. Если вы это сделаете, особенно на трассах с высокой интенсивностью движения, легко получить прокол, а затем потерять шину, и вам придется остановить машину". (Или нет, как в случае с Хэмилтоном на ГП Великобритании в прошлом году!).
Эволюция давления
Давление в шинах - это еще один фактор, который сильно влияет на деградацию, поскольку оно изменяет размер пятна контакта. В F1 Pirelli предписывает минимальное стартовое давление, поэтому все команды выезжают из боксов с одинаковым давлением в шинах. По мере прогрева шин давление увеличивается, и шина фактически "раздувается", в результате чего пятно контакта становится намного меньше. Однако высокое давление в шинах укрепляет боковину и помогает сохранить целостность шины, поэтому Pirelli часто увеличивает рекомендуемое минимальное стартовое давление после пятничных заездов.
"Более высокое давление, безусловно, помогает конструкции, но, с другой стороны, есть риск перегрева, а в некоторых случаях и появления пузырей из-за уменьшения площади пятна контакта", - подтверждает Изола.
Итак, с одной стороны, производитель шин повышает давление, что приводит к уменьшению пятна контакта, а с другой стороны, команды пытаются снизить давление и максимизировать размер пятна контакта.
"Значительные пузыри появляются, когда они [Pirelli] повышают минимальное давление", - говорит Эггинтон. "Чем больше воздуха они требуют, тем дальше это уводит от оптимального рабочего диапазона шины. Поэтому мы стараемся минимизировать изменение давления, используя такие методы, как охлаждение обода, что меняет принцип работы шины. Обычно вы хотите сделать передние шины как можно более холодными. Если вы вынуждены делать что-то другое, то трудно управлять температурой".
Моделирование шин
Учитывая все эти переменные, как команды прогнозируют и управляют деградацией шин? Сначала они пытаются смоделировать ее, но создать надежные и точные модели шин очень сложно.
"У нас есть базовая модель шин, и мы изменим в ней некоторые параметры, основываясь на данных пятницы. Или, если нам кажется, что мы не узнали ничего нового, мы оставляем в модели исторические данные", - объясняет Эггинтон. "Затем мы применяем наши обычные смещения и переменные, основанные на температуре, эволюции трассы... все эти скучные вещи. Во время гонки модель постоянно обновляется. Конечно, темп - это большой фактор, поэтому мы постоянно им управляем, но если водитель не слушает инструкций, мы видим, что происходит с износом шин и энергией. Таким образом, мы даем указания водителю, основываясь на живой модели и на том, как далеко, по нашему мнению, пройдет шина. Если у нас есть мнение о том, как далеко она должна пройти, а мы этого не достигаем, мы либо меняем стратегию, либо реагируем соответствующим образом".
Одним из ключевых показателей, используемых в моделях шин, является энергия шины. Это гораздо более надежный способ расчета доступной производительности, поскольку он включает эффект скольжения в расчет износа. Можно предположить, что шина выезжает из гаража со 100-процентным запасом энергии, а величина скольжения, измеренная датчиками угла скольжения, наряду с тяжестью поворота, изнашивает шину и расходует эту энергию. Затем можно спрогнозировать, хватит ли энергии шине до конца заезда, и применить стратегии управления сроком службы шин.
"Нас очень волнуют показатели энергии шин, поскольку они являются важной частью определения того, на каком этапе находится срок службы шин", - говорит Эггинтон. "Основываясь на том, что это нам говорит, как только шины стабилизируются, мы можем посоветовать водителю управлять шинами в высокоскоростных поворотах, проезжать больше накатом в определенных зонах, быть более осторожным с проскальзыванием шин при выходе из низкоскоростного поворота или быть осторожным с балансом тормозного момента. Эта метрика дает нам возможность попытаться управлять энергией и скольжением и говорит нам, правильно ли мы поступаем, чтобы шин хватило до конца гонки. Мы эффективно управляем автомобилем в соответствии с целями, полученными из модели. Водитель просто подтверждает то, что показывает нам модель. Мы игнорируем эти цели, только если мы боремся за очки или гонщик действительно испытывает трудности".
Различные стратегии
Поэтому модели шин стали жизненно важным инструментом для управления деградацией шин, но конкретные стратегии могут значительно отличаться в разных видах автоспорта.
"Одно из главных различий между гонками на выносливость и Формулой 1 заключается в том, что в гонках на выносливость основное внимание уделяется достижению минимально возможной деградации, а не пиковой производительности, поскольку это не спринтерские гонки", - подчеркивает Майк МакГрегор, менеджер по продажам, испытаниям и поддержке трасс компании Goodyear. "В некоторых гонках мы проезжаем более 700 км на одном комплекте шин, что составляет около трех гонок Формулы 1. В Ле-Мане, например, наша цель - четыре схода по проблемам с резиной, и мы разрабатываем шины так, чтобы они были как можно более стабильными на протяжении всей дистанции".
Один из приемов, который используют производители шин для управления деградацией в различных трассах и условиях, заключается в разработке ряда составов, выбирая наиболее подходящий, чтобы избежать проблем с перегревом. "Как правило, мы расширяем диапазон составов, и наш ассортимент разработан таким образом, что теоретически мы всегда можем перейти на более жесткие составы, чтобы избежать проблем с перегревом", - говорит МакГрегор. "Более прочные и жесткие составы обычно обладают большей термической стабильностью, чем более мягкие. Поэтому мы можем использовать более мягкие составы в Ле-Мане ночью. Но если бы вы попробовали использовать их в Сильверстоуне в самый разгар дня, тогда да, вы могли бы пострадать от перегрева".
Некоторые формы деградации шин могут быть восстановлены. Например, легкая зернистость может быть стерта, удаляя гребни для увеличения пятна контакта и сцепления, но это обычно работает только в течение короткого периода времени, после чего шина снова начинает зернить.
Перегрев поверхности также может быть уменьшен за счет техники вождения, например, за счет приподнимания на высокоэнергетических поворотах и контроля скольжения, а также за счет регулировки баланса тормозов, охлаждения обода и улучшения общей балансировки автомобиля.
Влияние пилота
"Влияние пилоты не следует недооценивать", - признает Эггинтон. "Эти парни достаточно хорошо умеют управлять шинами. Они могут реализовать небольшой подъем газа и, если правильно распределить его в нужных местах трассы, то можно сделать это без потери времени круга. Это неплохой трюк для снижения температуры шин и тормозов. Многое из того, что говорится по радио [во время гонки], уже обсуждалось, поэтому гонщики знают, на какие дельты нужно ориентироваться. Таким образом, когда вы переходите к плану "Б" - если они, конечно, помнят об этом - они адаптируют управление шинами, чтобы убедиться, что шин хватит на новую длину отрезка".
Обучение пилотов особенно важно в гонках на выносливость, где способности и опыт водителей могут быть самыми разными. Ключ к хорошему времени на отрезке, а не на круге, - это не заблокировать шину, особенно на первом отрезке, но это еще не все. Правильная работа шин при различных температурах и условиях трассы также имеет решающее значение, и для достижения этой цели инженерам предстоит проделать большую работу. "Одна из важных вещей, над которой мы работали в течение последних 10 лет, - это эффективность пилотов", - говорит МакГрегор. "В гонках на выносливость участвуют самые разные пилоты- от профессионалов с полной занятостью до пилотов-джентльменов, поэтому мы стараемся работать с ними как можно больше, чтобы управлять такими вещами, как рулевое управление, регрессия тормозов и регрессия дроссельной заслонки, чтобы они не перегружали шины в критических зонах. Все дело в том, чтобы управлять характеристиками шины и решать, когда их использовать".
В заключение хочу сказать, что независимо от того, сколько данных у вас есть и как много вы думаете, что знаете о том, как шина будет вести себя на конкретной трассе и в любых условиях, гоночная резина всегда докажет, что вы ошибаетесь.
