Ралли

Формула ралли

Эстония и Финляндия: два похожих ралли с совершенно разной физикой.

Заголовок не «кулик-бей». Для неподготовленного читателя добавление к большому тексту еще и формул – слишком сильный удар по нервной системе, чей амортизатор может и не вынести таких нагрузок. Поэтому дубль текста со страшными (нет) формулами мы прикрепили в пдф-файл. Там, как обычно, Гонщик Икс оттянулся на физике, и потому мы просим особо зорких, углядевших ошибки и нестыковки, сообщать, чтобы найти истину сообща. Каламбур не искали, он сам из-за трамплина возник. Собственно, едем.

Ссылка на скачивание пдф с вк.

На первый взгляд Ралли Эстонии и Ралли Финляндии почти не отличаются друг от друга.

Узкие гравийные дороги, очень высокая средняя скорость, длинные связки быстрых поворотов и многочисленные гребни, на которых автомобиль разгружается или полностью отрывается от земли. В обоих случаях гонщик должен доверять стенограмме и атаковать там, где за деревьями не видно продолжения дороги.

Поэтому эти этапы часто описывают одинаково: быстрые гравийные ралли с прыжками.

Но для инженера по подвеске Эстония и Финляндия - две разные задачи.

Финляндия проверяет, сколько энергии подвеска способна принять при одном крупном ударе или приземлении. Эстония уточняет, насколько быстро подвеска может повторять эту работу снова и снова, не перегреваясь, не теряя запас хода и не позволяя машине раскачиваться.

Проще всего различие сформулировать так:

Эстония испытывает скорость работы подвески. Финляндия - её способность выдерживать большие удары.

Почему нельзя просто сказать «мягче» или «жёстче»

Амортизатор сопротивляется движению подвески. Чем быстрее колесо приближается к кузову или удаляется от него, тем большую силу обычно создаёт амортизатор. Но реальный раллийный амортизатор настроен сложнее обычного дверного доводчика.

Он должен по-разному реагировать на два вида движений.

Первый - сравнительно медленное движение кузова: крен в повороте, клевок при торможении, приседание на разгоне. Здесь требуется достаточно сильное сопротивление, чтобы автомобиль не раскачивался и сохранял стабильное положение.

Второй - резкое движение колеса при попадании в яму, наезде на острый бугор или приземлении. Если амортизатор будет слишком сильно сопротивляться такому удару, подвеска почти перестанет двигаться. Нагрузка уйдёт в шину, кузов и руки (и другие части тела) гонщика, а колесо может потерять контакт с дорогой.

Поэтому хороший раллийный амортизатор может быть «жёстким» при медленных движениях кузова и одновременно сравнительно «мягким» при резком ударе.

Для этого внутри используются клапаны и перепускные каналы. При большой скорости движения штока они открываются и не позволяют сопротивлению возрастать слишком резко.

Именно поэтому вопрос «где нужны более жёсткие амортизаторы - в Эстонии или Финляндии?» не имеет простого ответа.

Гораздо важнее спросить:

- при каких движениях амортизатор должен быть жёстким;
- насколько быстро он должен срабатывать;
- успевает ли подвеска восстановиться перед следующей неровностью;
- сколько энергии она должна поглотить за один удар.

Дорога как последовательность волн

Представим дорогу не как набор отдельных ям и трамплинов, а как чередование подъёмов и впадин.

У каждой такой волны есть высота и длина. Высота показывает, насколько сильно меняется профиль. Длина - какое расстояние отделяет один гребень от следующего.

Когда машина движется медленно, даже короткие волны проходят через подвеску относительно спокойно.

Но на большой скорости тот же профиль превращается в серию быстрых ударов. Чем быстрее едет машина и чем ближе расположены неровности, тем чаще подвеска должна сжиматься и разжиматься.

Здесь проявляется первое важное различие.

Финский трамплин может быть значительно выше. Но если после него следует длинный спокойный отрезок, у подвески есть время принять удар, разжаться и подготовиться к следующему событию.

Эстонские неровности часто выглядят скромнее. Однако они могут следовать одна за другой настолько быстро, что последствия предыдущего удара ещё не исчезли, когда приходит следующий.

Почему маленький бугор иногда тяжелее большого

На работу подвески влияет не только высота неровности. Не менее важны её длина и скорость автомобиля.

Высокий, но плавный гребень может сравнительно медленно поднять и опустить машину. Невысокая, но короткая волна способна заставить колесо двигаться вверх значительно быстрее.

Поэтому амортизатор оценивает дорогу не так, как зритель. Зритель замечает высоту прыжка. Амортизатор «чувствует», насколько быстро меняется профиль под колесом.

Представим два гребня.

Первый в Финляндии вдвое выше, но растянут на тридцать метров. Второй в Эстонии вдвое ниже, но укладывается всего в десять метров.

Несмотря на меньшую высоту, эстонская волна меняет профиль гораздо резче. На одинаковой скорости она может вызвать более быстрое движение подвески и более сильный кратковременный импульс.

Именно поэтому самые зрелищные прыжки не обязательно создают максимальные скорости штока амортизатора.

Скорость усиливает удар непропорционально

При росте скорости нагрузка на подвеску увеличивается быстрее, чем сама скорость автомобиля.

Например, если одна и та же неровность проходится не на 160, а на 180 километрах в час, скорость машины возрастает всего на 12,5 процента. Но вертикальное ускорение, создаваемое профилем дороги, может увеличиться примерно на 27 процентов.

Это один из главных парадоксов скоростных ралли. Небольшая прибавка темпа способна заметно изменить поведение автомобиля. То, что на одной скорости воспринималось как лёгкая волна, на другой уже заставляет подвеску работать почти на пределе.

В Эстонии это особенно важно. Многие участки проходятся почти на полном газу, а небольшие гребни встречаются многократно. Поэтому нагрузка определяется не величиной одного прыжка, а сочетанием высокой скорости и плотности неровностей.

Эстония: успеть успокоить машину

После удара кузов не сразу возвращается в исходное положение. Он продолжает двигаться вверх и вниз, как груз на пружине. Амортизатор должен погасить это движение.

Если сопротивление слишком слабое, машина продолжает раскачиваться. Новый бугор встречает кузов, который ещё не успокоился после предыдущего. Колебания могут сложиться и стать сильнее.

В худшем случае ритм дороги начинает совпадать с естественным ритмом раскачивания машины. Тогда возникает эффект, похожий на раскачивание качелей: каждый новый толчок усиливает предыдущий.

Небольшие неровности вдруг начинают вызывать крупные движения кузова. Колёса нестабильно прижимаются к дороге, автомобиль хуже держит траекторию, а пилоту приходится уменьшать скорость. Для Эстонии поэтому особенно важно быстро успокаивать кузов.

Но просто сделать амортизаторы жёстче нельзя. Слишком большое сопротивление может создать другую, не менее серьёзную проблему.

Почему подвеске нужно успевать разжиматься

После того как колесо прошло бугор и подвеска сжалась, она должна вернуться в исходное положение. Движение, при котором колесо удаляется от кузова, называется отбоем.

Если отбой настроен слишком жёстко, амортизатор не позволяет подвеске быстро разжаться. Следующая неровность приходит в тот момент, когда часть хода уже использована.

После первого бугра подвеска остаётся немного сжатой. После второго - ещё сильнее. После третьего у неё может почти не остаться свободного хода.

Так возникает эффект накопительного проседания, известный как pack-down. Машина словно постепенно «упаковывает» подвеску внутрь себя.

На одиночном ударе такая настройка может выглядеть отлично. Автомобиль быстро успокаивается и не подпрыгивает. Но на серии коротких волн подвеска перестаёт восстанавливаться. В конце концов она доходит до ограничителя хода и получает жёсткий удар.

Поэтому эстонская настройка требует очень тонкого компромисса. Амортизатор должен достаточно сильно контролировать кузов, чтобы машина не раскачивалась. Но отбой нельзя закрывать настолько, чтобы колесо не успевало вернуться к дороге.

Амортизатор превращает движение в тепло

Амортизатор не уничтожает энергию. Он превращает движение подвески в тепло. Масло проходит через узкие каналы и клапаны, нагреваясь при каждом сжатии и отбое.

После одиночного прыжка часть тепла успевает уйти в корпус амортизатора и окружающий воздух.

В Эстонии циклы повторяются очень часто. Амортизатор может почти непрерывно сжиматься и разжиматься на протяжении значительной части спецучастка. Масло нагревается, становится менее вязким, а поведение клапанов меняется. В результате амортизатор способен создавать одну силу в начале спецучастка и уже другую - через несколько километров. Для гонщика это означает, что автомобиль постепенно меняет характер.

Увеличиваются крены и клевки. Машина иначе реагирует на серию бугров. Точки торможения становятся менее стабильными. Колесо может хуже контролироваться на гребёнке.

Поэтому для Эстонии важна не только правильная настройка холодного амортизатора. Нужно, чтобы его характеристики почти не менялись после десятков и сотен повторных движений. Эстония испытывает не столько пиковую силу амортизатора, сколько его выносливость.

Финляндия: переварить мощное приземление

В Финляндии подвеска тоже работает с высокой частотой. Но крупные трамплины заметно смещают задачу в сторону энергии отдельного события.

Пока машина находится в воздухе, можно призадуматься, что когда-нибудь она начнет падать, и Земля, хочешь или нет, будет вынуждена ее тормозить. Чем больше высота и продолжительность полёта, тем выше вертикальная скорость в момент контакта с дорогой.

Чем тяжелее машина и чем выше падение, тем больше энергии необходимо рассеять.

Задача подвески состоит не в том, чтобы мгновенно остановить движение кузова. Наоборот, удар желательно растянуть на возможно больший ход.

Представим человека, который спрыгивает с высоты. Если он приземлится на прямые ноги, остановка произойдёт почти мгновенно и нагрузка окажется очень большой, а последствия самыми печальными, как минимум для этих самых ног.

Если он согнёт колени, движение будет погашено на большем расстоянии, а пиковая сила уменьшится.

Длинноходная раллийная подвеска работает по тому же принципу. Большой ход - это не просто способ сделать машину мягкой. Это «пространство», в котором можно постепенно поглотить энергию приземления.

Почему большого хода недостаточно

Если подвеска слишком легко сжимается, она быстро использует весь ход. После этого кузов ударяется в ограничитель. Ограничитель сжатия, или bump-stop, защищает амортизатор и элементы подвески от механического контакта. Но если он включается слишком резко, последние сантиметры хода превращаются почти в твёрдую преграду. Тогда большая часть оставшейся энергии принимается за очень короткое время. Нагрузка на кузов, шину и подвеску резко возрастает.

Если же амортизатор с самого начала создаёт слишком большое сопротивление, подвеска не использует доступный ход полностью. Удар опять передаётся кузову, только раньше.

Поэтому сопротивление должно нарастать постепенно. В начале хода колесо должно сравнительно свободно следовать за дорогой. В средней части амортизатор начинает заметно замедлять движение. Ближе к концу сопротивление увеличивается, а ограничитель подключается плавно, помогая принять оставшуюся энергию.

Идеальная финская подвеска не просто имеет большой ход. Она правильно распределяет усилие по всему этому ходу.

Приземление редко бывает ровным

По телевизору раллийный автомобиль часто красиво приземляется на четыре колеса. На практике это скорее удачный случай.

Машина может сначала коснуться дороги передней или задней осью. Одно колесо может попасть на более высокий участок покрытия. Автомобиль способен приземлиться с креном или под небольшим углом к направлению дороги. Тогда подвеска должна справляться не только с вертикальным ударом.

Кузов начинает крениться, клевать носом или разворачиваться. Нагрузка распределяется между колёсами неравномерно.

Особенно тяжело приходится колесу, которое первым встречает дорогу. Оно должно одновременно принять удар, удержать направление и создать боковую силу.

Поэтому в Финляндии четыре амортизатора нельзя рассматривать отдельно. Они должны работать как единая система, контролируя не только вертикальное движение, но также крен и тангаж кузова.

Опасность второго прыжка после приземления

При сжатии пружина накапливает энергию. После того как основная сила удара прошла, пружина стремится распрямиться и вернуть эту энергию кузову. Если отбой слишком свободный, машина может подпрыгнуть второй раз уже после основного приземления.

Этот второй подброс часто опаснее первого. Гонщик может посчитать, что автомобиль уже вернулся на дорогу, и начать тормозить или поворачивать. Но колёса снова разгружаются, и машина теряет точность в самый неподходящий момент.

Если отбой сделать слишком жёстким, появится обратная проблема: подвеска не восстановит ход перед следующим гребнем.

Поэтому в Финляндии ход отбоя должен одновременно гасить энергию пружины, не позволять кузову подпрыгнуть повторно, достаточно быстро возвращать колесо к дороге, сохранять запас хода для следующего трамплина.

Это та же проблема, что и в Эстонии, но с другим акцентом. В Эстонии отбой прежде всего защищает подвеску от накопительного проседания на частой серии волн. В Финляндии он ещё и предотвращает вторичный подброс после крупного приземления.

Что амортизатор «видит» в каждой дороге

Для гонщика оба ралли состоят из быстрых поворотов, прыжков и слепых гребней.

Для амортизатора дорога описывается тремя простыми свойствами:

- высотой неровности;

- длиной неровности;

- скоростью автомобиля.

Из их сочетания возникают два разных режима.

Эстонский режим

Неровности могут быть сравнительно невысокими, но расположены близко друг к другу. Машина проходит их на огромной скорости. Времени между ударами мало. Амортизатор должен быстро погасить движение кузова, вернуть колесо к дороге и восстановить полный ход. Он также должен сохранять свои характеристики при сильном нагреве.

Финский режим

Крупные гребни и продолжительные полёты создают значительную вертикальную скорость при приземлении. Подвеска должна поглотить много энергии за один раз, использовать почти весь доступный ход, не дойти до жёсткого пробоя и не подбросить кузов повторно.

Как различаются настройки

Для Ралли Эстонии инженер будет особенно внимательно работать над следующими свойствами: контролем медленных движений кузова, достаточно свободным прохождением резких ударов, быстрым восстановлением хода после сжатия, защитой от накопительного проседания, стабильностью амортизаторов при нагреве, контролем колёс на гребёнке и в колее, быстрым прекращением раскачки после небольших прыжков.

Для Ралли Финляндии большее значение получают: полный ход подвески, плавное нарастание сопротивления при сильном сжатии, прогрессивная работа ограничителей хода, способность принять крупный вертикальный импульс, устойчивость при приземлении на одну сторону или одну ось, защита от второго подброса кузова, сохранение правильной геометрии колёс во всём диапазоне хода.

Это не означает, что Эстонии не нужен запас хода, а Финляндии не важна частота работы. Обе задачи присутствуют на обоих ралли. Меняется их относительная важность.

Главный инженерный парадокс

Чем быстрее становятся раллийные машины, тем меньше о нагрузке на подвеску можно судить по внешнему виду дороги. Большой трамплин не всегда вызывает самое быстрое движение амортизатора. Невысокая волна может оказаться тяжелее из-за короткой длины и большой скорости. Мягкая подвеска не обязательно лучше поглощает удар. Сильный отбой не всегда быстрее успокаивает автомобиль. Иногда он просто не позволяет подвеске восстановить запас хода.

Именно поэтому Ралли Эстонии и Ралли Финляндии нельзя считать двумя вариантами одного и того же этапа. Финляндия спрашивает, сколько энергии подвеска может принять за один раз. Эстония уточняет, сколько раз подряд она способна повторить эту работу, не изменив поведения машины.

Подробную версию материала с математической моделью дорожного профиля, расчётами скорости штока, вертикальных ускорений, затухания колебаний и энергии приземления можно найти в приложенном пдф.

Ссылка на скачивание пдф с вк.