Подвеска: Центр крена ниже уровня земли (теоретически)

Специалист в области подвески Марк Ортиц отвечает на вопросы читателей. На сей раз - про поддомкрачивающие силы при расположении центра крена.

В: В Вашей октябрьской колонке («Рейскар» том14, номер 10) Вы ответили на вопрос читателя о возможности преднамеренного размещения центра крена ниже уровня земли. Я много думал о способе, который я называю «защитой от сил поддомкрачивания», и не встречал реальных упоминаний о центрах крена ниже уровня земли. Если мы разместим центр крена ниже уровня земли, разве это не приведет к тому, что на внутренние колеса будет приходиться большая сила, чем на внешние? Из-за нелинейности коэффициента трения, разве это не приведет, по сути, к большему суммарному трению и, следовательно, к большему центростремительному ускорению?

О: Рассмотрим сначала последний вопрос. Если предположить, что внутренние и внешние шины симметричны и идентичны, и движутся с одинаковым абсолютным развалом, с одинаковым направлением развала относительно поворота (например, x градусов положительного на внутреннем колесе и x градусов отрицательного на внешнем колесе), и если предположить, что 50 процентов веса автомобиля остается в статическом положении, то в идеале нам бы хотелось отсутствия перераспределения нагрузки внутрь или наружу. Если у внешней шины более благоприятный развал, чем у внутренней (что часто встречается в шоссейных гонках), или внешняя шина больше по размеру (что часто встречается в гонках на треках («овалах»), если позволяют правила), то в идеале нам хотелось бы, чтобы на внешнюю шину приходилось чуть больше 50 процентов нагрузки.

Однако на практике мы всегда получаем больше перераспределения нагрузки, чем хотелось бы, и всегда пытаемся его уменьшить. Нам не нужно, чтобы более половины нагрузки приходилось на внутренние колеса, мы всегда стараемся сместить ситуацию в сторону большей нагрузки на внутренние колеса.

Общее перераспределение нагрузки для обеих пар колес при заданном боковом ускорении зависит только от высоты центра тяжести (ЦТ) и ширины колеи. Единственный способ добиться нулевого перераспределения нагрузки на всех «углах» автомобиля - это расположить центр тяжести на уровне земли. Единственный способ добиться перераспределения нагрузки внутрь на обоих концах автомобиля - это расположить центр тяжести ниже уровня земли. Конечно, это невозможно для обычного автомобиля, движущегося по ровной дороге. Это было бы возможно только в том случае, если бы автомобиль висел в траншее, а его колеса каким-то образом двигались по эстакадным рельсам.

Всё, что мы можем сделать с высотой центра крена, пружинами и стабилизаторами поперечной устойчивости, - контролировать, какая доля неизбежной передачи нагрузки приходится на переднюю пару колес по сравнению с задней. Мы также можем контролировать величину крена, что оказывает незначительное влияние на общую передачу нагрузки, поскольку центр тяжести немного смещается наружу по мере крена автомобиля.

Обычно мы представляем подрессоренную массу как жесткое тело, поддерживаемое двумя системами, обеспечивающими податливость при крене (передняя и задняя подвески и пары колес). Две системы, обеспечивающие податливость при крене, противодействуют моменту крена жесткого тела параллельно друг другу. Каждая система подвески поглощает часть момента крена, пропорциональную ее общему сопротивлению крену. Это общее сопротивление крену имеет три составляющие: геометрическую (от рычагов подвески); упругую (от пружин и стабилизаторов поперечной устойчивости); и фрикционную (от амортизаторов и трения в системе).

Существует ещё один компонент передачи нагрузки - неподрессоренная масса. Обычно считается, что она действует только через шины, а не через подвеску, и, следовательно, не зависит от геометрии подвески. На самом деле, это не совсем так для независимой подвески, хотя и верно для балочных осей. Недавно один из читателей прислал мне очень полезную информацию по этому поводу, которую мы рассмотрим в одном из следующих выпусков. Неподрессоренные массы в независимой системе обычно создают некоторые моменты на подрессоренной массе через рычаги подвески, которым противодействуют пружины и стабилизаторы поперечной устойчивости, и на которые влияют как коэффициенты упругости, так и геометрия рычагов. В целях простоты мы пока будем игнорировать эти эффекты.

Если центр крена для пары передних или задних колёс - понимаемый в обычном смысле как точка пересечения линий сил в фронтальном виде - находится ниже уровня земли и между колёсами, это подразумевает геометрический крен на обоих колёсах. В рычагах подвески внешнего колеса создается сила, направленную вниз, а в рычагах внутреннего колеса создается сила, направленная вверх. Возникающая пара сил приводит к крену подрессоренной массы наружу, усиливая крен. Рассматриваемая происходящее изолированно, это действительно увеличивает нагрузку на внутренние колеса и снимает нагрузку с внешних.

Однако, если бы этому моменту не было противодействия, подрессоренная масса ускорялась бы наружу при крене и не остановилась бы, и автомобиль перевернулся бы. Таким образом, сопротивление опрокидывающему моменту ложится на пружины, стабилизаторы поперечной устойчивости и любые силы трения, без помощи каких-либо противодействующих сил со стороны геометрии рычагов. Кроме того, пружины, стабилизаторы поперечной устойчивости и эффекты трения должны противостоять моменту, создаваемому рычагами.

Следовательно, если у нас геометрия, обеспечивающая продольный крен, на обоих концах автомобиля (ось крена ниже уровня земли), то упругая составляющая сопротивления крену становится очень большой, и все равно возникает результирующий момент, препятствующий крену, от подвески в целом. Поскольку все опирается только на шины, любой момент, возникающий в подвеске, реагирует с землей через пятна контакта и создает там изменение нагрузки. Это означает, что происходит чистая передача нагрузки наружу, даже если геометрические моменты направлены в неправильную сторону.

На самом деле, теоретически возможно добиться передачи нагрузки внутрь, с центром тяжести над уровнем земли, но только на одном борту автомобиля. Сомневаюсь, что в реальной жизни нам понадобится такая конструкция, но это интересная гипотеза. Если бы мы использовали геометрию, способствующую крену, в сочетании с нулевой или почти нулевой жесткостью колес по крену только на одной оси автомобиля, мы могли бы добиться передачи нагрузки внутрь на этой «мягкой» оси. Для обеспечения достаточной жесткости подвески нам пришлось бы использовать систему пружин, которая действовала бы только в режиме движения, как, например, Z-образная балка в задней подвеске «Формулы Ви» (Formula Vee).

Другая ось автомобиля должна в таком случае сопротивляться не только опрокидывающему моменту всего автомобиля, но и продольному моменту крена от подвески на «мягкой» оси. В этом случае мы получим передачу внешней нагрузки на «жесткой» оси, превышающую общую передачу внешней нагрузки на автомобиль, и небольшую передачу внутренней нагрузки на «мягкой» оси, равную этой разнице. Это будет работать до тех пор, пока жесткая оси не поднимет колесо. Затем автомобиль немедленно упрется в ограничители хода подвески на «мягкой» оси, и последняя перестанет быть «мягкой», что приведет к передаче внешней нагрузки на обоих осях.

Что касается суммарного проседания подвески (downward jacking), в большинстве случаев, если точка пересечения силовых линий в передней проекции находится ниже уровня земли и между колесами, то происходит именно так. Однако возможно, что мы можем получить суммарное поддомкрачивание (upward jacking), если внутреннее колесо имеет значительно более крутой наклон силовой линии, чем внешнее. Это может создать восходящую силу через рычаги от внутреннего колеса, превышающую нисходящую силу от рычагов подвески внешнего колеса, несмотря на меньшую силу в пятне контакта на внутреннем колесе.

Это подразумевает пересечение силовых линий, смещенное от центра в сторону внутреннего колеса, но все еще в пределах ширины колеи. Это не нереалистичный случай - мы могли бы столкнуться с ним в «заниженном» серийном автомобиле с подвеской типа «МакФерсон», в состоянии крена. Однако это интересно, поскольку иллюстрирует ситуацию, когда автомобиль не кренится вокруг точки пересечения силовых линий. Если бы он кренился, то кузов должен был бы двигаться вниз, а не вверх, (силы поддомкрачивания на внутреннем колесе превышали бы силы проседания на внешнем колесе), но автомобиль этого явно не делает.