Баланс

"разбор полетов" + практические рекомендации.

Модераторы: Раллист, Модератор Форума

Аватара пользователя
acepire
Клубный Субарист
Январь 2011 / 2442
Репутация:

Баланс

Сообщение acepire » 22 фев 2013, 19:18

Про баланс автомобиля. Постараюсь сформулировать достаточно краткое саммари с объяснением "на пальцах" фундаментального понятия, связанного с управлением автомобилем, - баланса.

ВМЕСТО ВВЕДЕНИЯ
Забавно слышать, как многие водители рассуждают о вождении авто в терминах манипуляций над органами управления типа руля, ручки КПП, педалей и наивным пошаговым изложением - когда что нажимать или не нажимать, куда крутить, а что не крутить. Или что надо было нажимать, или не надо было крутить когда дело доходит то разбора не самых успешных "полетов". Об управлении нужно разговаривать не в терминах руля и педалей, а в терминах баланса. Чтобы понять принципы безопасной и/или быстрой езды, необходимо понять физику автомобиля. Понимание баланса - первый шаг в этом направлении.

Объяснение удобно начинать традиционно, - изобразив схематическую машинку-тележку в статике. С "идеальной" (это лишь условность) развесовкой по осям - 50% на 50%. Напомню, что движитель, - шины, и автомобиль разгоняется, тормозит и поворачивает исключительно благодаря им. Стоящая в полном покое на дорожном полотне, наша тележка имеет сцепление с поверхностью. Для доступности последующего изложения нужно сделать упрощение и заявить: пускай совокупность всех геометрических свойств пятен контакта 4-ых шин и совокупности сил, к ним приложенных, характеризуется как 100% сцепление тележки с поверхностью дорожного полотна. Силы, как легко заметить, в данном конкретном состоянии определяются расположением центра масс (ЦМ) тележки относительно точек соприкосновения шин на плоскости опоры - т.е. дорожного полотна. (В нашем случае все аккуратненько "по центру".) И эти силы определяют такую, в общем-то, очевидную характеристику, как статический баланс. Заметьте: пока не существенна высота ЦМ относительно дороги. В случае нашей тележки - смотрим на рисунок (1-ый) - видно, что на каждое колесо в покое (или в случае равномерного прямолинейного движения* ) приходится по 25% от общего коэффициента сцепления покоя (в том упрощенном смысле, в котором он определен).
[рис. 1]
Заштриховка - это пятно контакта шины с поверхностью дороги. Да, нужно сказать сразу, суммарная сила реакции опоры - из каждой составляющей, приложенной к каждому колесу, равна силе, определяемой массой тележки и гравитацией нашей несчастной планеты. Но суммарный коэффициент сцепления в общем случае (как можно было бы пояснить - в динамике) не линейно пропорционален суммарной силе реакции опоры.

Для особо дотошных: *грубо так сказать можно, но во время прямолинейного равномерного движения колесо все-таки крутится и при этом изменяется его характеристика сцепления по сравнению с тем, что было бы в случае относительного покоя поверхности дороги и шины. В любом случае - сути вещей оно не меняет и такая штуковина как "совокупный потенциал сцепления всех шин" остается интуитивно понятной. И вообще тема шины и механизма сцепления настолько неудобная, что касаться её очень и очень не хочется.

Теперь от нашего "статического баланса" хочется откинуть слово "статический". Для этого тележку-автомобиль нужно пнуть и представить, как она себе покатится - равнозамедленно и через некоторое время спокойненько остановится. Проекция центра масс тележки на плоскость дороги - согласно интуитивным представлениям - сместится и вернется в исходное "статическое" состояние к тому моменту времени, когда тележка остановится. В ньютоновскую физику этого процесса подробно влезать скучно и не интересно. Короче, касательно баланса. Принципиально ничего не поменяется, и это хорошо: под БАЛАНСОМ по-прежнему можно понимать совокупность сил, прикладываемых к дорожному полотну через каждую шину тележки и действующих в текущий момент времени. Возможно, такое определение будет слишком узким, но мне оно представляется весьма удобным. Такая формулировка позволяет судить о "весе на колесе", избавив от принятия во внимание фактического сцепления каждой конкретной шины. Тут "мягкое" - текущая развесовка, т.е. практически баланс - отдельно, а "тёплое" - текущее сцепление каждой шины с конкретным местом дорожного полотна - отдельно. И в случае однородной поверхности в конечном итоге текущее сцепление будет определяться текущим балансом. Что важно: как видно из определения, баланс - штуковина динамическая.

РАЗГОН
Теперь мысленно приделываем к нашей тележке двигатель и трансмиссию, превращая её в авто. Думаю, что все не раз убеждались на практике, что при разгоне вес перераспределяется на заднюю ось. См рис. 2. А почему так происходит? - Автомобиль, как физическое тело стремится оставаться в покое, а силу инерции справедливо приложить к центру масс. При этом силы, двигающие автомобиль вперед, приложены к ведущим колесам (пускай наши ведущие - сзади, это не принципиально) на уровне дорожного полотна. А плечо, равное высоте ЦМ над полотном дороги, виновато в создании вращающего момента, из-за которого ЦМ авто и смещается в сторону задней оси. А куда ж ему деваться-то. Смотрим рис. 3.
[рис. 2]
[рис. 3]
Небольшое лирическое отступление, какой полезный вывод можно сделать прямо сейчас на лету? - Высота ЦМ влияет на перераспределение баланса. При прочих равных, чем ниже ЦМ, тем меньше веса будет гулять между осями при ускорениях. Поэтому низкий ЦМ - Священный Грааль хорошей управляемости - т.к. меньше флуктуаций c балансом.

ТОРМОЖЕНИЕ
Думаю, понятно, что по сути то же самое, что и разгон, только в противоположную сторону. В общем, ничего нового. Идем дальше.
(Для тех кто в теме: не зря физики очень любят симметрию. А суперсимметрию так просто обожают.)

ПЕРЕХОДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕСА
Что еще интересного можно вытащить из одного лишь разгона (или торможения) на прямой. Попробуем поразмышлять о динамике изменения баланса. Всему нужно время. Сразу что-либо не происходит - изменению состояния предшествует эскалация. Переходный процесс. (Так уж сложилось, что природа не терпит процессов, производная по времени которых стремится в бесконечность.) Пускай кто-то нажал на газ, и тележка начинает разгоняться. Насколько быстро изменится её баланс? В нашем случае - переходный процесс - изменения величины сил, приложенных к шинам тележки и давящих на опору - дорожное полотно. И сейчас будет интересовать такое понятие, как длительность переходного процесса. Рассматривать тележку без подвески можно, но не очень интересно в силу того, что в таком случае пришлось бы говорить о практически(!) моментальном перераспределении баланса. Поэтому мысленно приделываем к ней подвеску: автомобили же как правило оборудованы подвеской, которая поглащает часть энергии во время перераспределения веса. И если в гоночном карте энергия уходит непосредственно на шину (ну, и её деформацию) - переходный процесс в этом случае очень быстрый (но не мгновенный!), то в обычном автомобиле переходный процесс передачи энергии на шину растягивается засчет пружины/амортизатора, которые часть этой энергии поглощают. Чем мягче подвеска, тем задумчивее все это происходит - тем медленнее перераспределяется вес. Это важный момент, так как с ним связана классическая ошибка пилотирования при торможении - слишком быстрое нажатие на тормоз: вес еще не успел перераспределиться на ось и сообщить шине соответствующую силу давления на полотно, а тормоза уже схватили лишком сильно, - колеса легко блокируются. Вторая классическая ошибка - резкое отпускание педали тормоза в крайней точке перед поворотом. В этом случае вес перераспределяется обратно назад - к статическому центру, - силы на передней оси уменьшаются достаточно быстро (для дотошных: подвеска, конечно же, все равно продолжает играть свою роль, но все условия для слишком быстрого изменения баланса - дисбаланса - уже возникли, и это справедливо даже для очень мягких подвесок) - и гонщик теряет достаточное сцепление передних шин для совершения поворота (в итоге возникает недостаточная поворачиваемость, но поворачиваемости пока не трогаем). Мораль 1: чем жестче подвеска - тем быстрее перераспределяется вес. Тем "быстрее" можно тормозить. Мораль 2: чем плавнее вы совершаете торможение (ок, - плавнее отпускаете педаль тормоза), чем плавнее переходный процесс перераспределения, - тем больше контроля вы имеете на машиной. Да, хороший гонщик поздно тормозит. Но отличный гонщик помнит и про динамику переходного процесса.

ПОВОРАЧИВАЕМ
А в повороте что происходит? А вот что. Рис. 4.
[рис. 4]
Минуточку, 30% + 30% + 10% + 10% = 80%. Где заблудились 20% исходного сцепления?
А вот где: Рис. 5.
[рис. 5]
Здесь важно кое-чего объяснить: сцепление характеризуется не только площадью пятна контакта, но и его формой. "Неудачное" пятно контакта съедает сцепление.
Также, аналогично "осевой" характеристике перераспределения веса, в поворотах возникает "межосевое" перераспределение. Последнее крайне интересно тем, что непосредственно влияет на такую вещь как ПОВОРАЧИВАЕМОСТЬ. Итого: характеристика перераспределения веса на передней и на задней осях будет определять предрасположенность(!) автомобиля к избыточной, нейтральной или недостаточной поворачиваемости. Более подробно в этом посте о них писать не хочется.
А что насчет разгона и торможения на дуге? Принципиально ничего интересного: совмещайте представление о балансе на прямой, текущее расположение центра масс и уменьшение (если строго - изменение*) общей характеристики сцепления. В реальной жизни вы можете ускоряться и тормозить в повороте - но ровно настолько интенсивно, насколько позволяют текущий баланс и переходная характеристика перераспределения баланса.

* Для особо интересующихся: неужели в повороте можно увеличить исходный статический потенциал сцепления? - да, можно, - развалом колес. Зачем в гоночных машинах столь популярен развал на обеих осях? - все просто: жертвуем сцеплением на разгоне/торможении на прямой, но получаем его в повороте. В повороте-то оно дефицитнее, а на прямой и так хватит.
Вложения
pic_1.jpg
pic_2.jpg
pic_3.jpg
pic_4_5.jpg
"Теория — это когда все известно, но ничего не работает. Практика — это когда все работает, но никто не знает почему. Мы же объединяем теорию и практику: ничего не работает… и никто не знает почему!"  — Альберт Эйнштейн

Вернуться в «Практические советы по пилотированию марки Субару»

Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и 1 гость