Развал-схождение

Введение

В этой книге автор рассмотрел некоторые аспекты улучшения управляемости автомобиля, которые могут быть полезны для тех, кто строит спортивные автомобили или кит-кары, или пытается улучшить ходовые качества автомобиля. Рассмотрены моменты проведения настроек подвески для автомобилей с передним и задним расположением двигателя, с независимой передней и зависимой задней подвеской или с полностью независимой подвеской. Другими словами, основная информация может быть применена для автомобилей практически всех типов.

Небольшие регулировки, которые могут быть проведены в Вашем гараже (если конечно там ровный и горизонтальный пол) с минимумом затрат времени, помогут улучшить управляемость автомобиля.

Естественно, большинство владельцев хотят, чтобы автомобиль хорошо ехал и управлялся. С одной стороны задачи понятия «ехать» более или менее ясны для всех, а с другой стороны решения, устраняющие недостатки управляемости, представляются как результат «черной магии».

Возьмем, к примеру, два идентичных кит-кара, купленных и собранных двумя разными людьми и настраиваемые ими по своему усмотрению. С огромной вероятностью управляемость обоих автомобилей будет заметно отличаться. Автомобили все еще будут соответствовать спецификации, но если настройки проводятся без ясного понимания, что в результате надо получить и что способствует улучшению управляемости, в конце концов, приведут к созданию просто опасного автомобиля. И не надо после этого винить изготовителя.

Как правило большинство кит-каров поставляются со всем необходимым оборудованием, многие допускают наличие регулируемой и настраиваемой подвески. Но наличие возможности настроить подвеску и отсутствие знаний, как это сделать, приводит зачастую к худшим результатам.

На многие спортивные автомобили и кит-кары устанавливаются детали серийных машин. В одних случаях используется один автомобиль-донор, чьи детали непосредственно устанавливаются на спортивный образец. Такой подход с точки зрения управляемости приводит к возрастанию компромиссных решений. В других случаях имеется несколько автомобилей-доноров, поскольку конструкторы и изготовители спортивного автомобиля хотят установить наиболее подходящие, с их точки зрения, детали. Естественно, во внимание принимаются и вопросы стоимости изделий.

Некоторые автомобили созданы для кольцевых трасс, некоторые для трека, некоторые для обоих случаев. На чисто трековые автомобили, по понятным причинам, часто устанавливают лучшие детали, которые можно купить за деньги. Автомобили для кольца и для трека не так близко связаны между собой, как это принято думать. Решение о назначении автомобиля нужно принять сразу, чтобы сберечь время и деньги, выброшенные на установку совершенно неподходящих деталей и лишние регулировки.

Простейшие кит-кары основываются на конструкции с передним расположением двигателя и заднем приводе с зависимой задней подвеской. Задняя подвеска может быть также независимой. Некоторые версии кит-каров, например Westfield, выпускаются в обоих вариантах. Есть много за и против для применения этих двух схем подвесок: зависимая подвеска более легкая, но иногда создает проблемы с управляемостью. Независимая подвеска тяжелее, но обычно лучше передает тягу и способствует улучшению управляемости.

На некоторых версиях автомобилей двигатель устанавливается в середине колесной базы, привод осуществляется на задние колеса и устанавливаются обе независимых подвески. Таких автомобилей относительно мало, поскольку они более дорогие в изготовлении, но все же они есть, хотя их управляемость не всегда так хороша, как можно было бы ожидать.

В сущности, спортивные автомобили должны иметь лучшую управляемость и исполнение, чем большинство обычных машин (цель, в наши дни не так легко достижимая, когда серийные автомобили исключительно хорошо «держат дорогу»). Подвески разных автомобилей имеют разную конструкцию, однако, главная цель остается неизменной, т.е. обеспечить управляемость автомобиля как можно лучше в заданных границах стоимости и ожидаемого комфорта. Главной задачей подвески является обеспечение безотрывного движения колеса по дорожному покрытию, во всех условиях движения. При этом желательно достичь одинакового размера пятна контакта всех шин с дорогой (правильного распределения веса автомобиля по колесам).

Многие автомобили (включая популярные спортивные версии) используют детали других выпускаемых автомобилей и, хотя это понятно с точки зрения стоимости, эти детали не всегда полностью подходят для назначенных целей, но приходится идти на компромисс.

Советы и рекомендации, рассмотренные в этой книге, следует отнести к автомобилям и кит-карам, скорость которых не превышает 210 км/ч.

Иногда удается весьма удовлетворительно настроить автомобиль самостоятельно. Однако, уровень осмысления, что надо делать с автомобилем и осознание причин его поведения и проблем, их вызывающих, дают основу для введения корректных изменений, неизбежно приводящих к желаемому результату. Проблемы управляемости могут иногда казаться неразрешимыми, но всегда логика и информация, приводимая в данной книге, помогут Вам отказаться от мысли, что настройка подвески относится к «черной магии». Идеи решений и процедуры исполнения, описанные в предлагаемой книге, простые, эффективные и не влекут за собой значительных материальных затрат. Помните, что простота часто лучшее решение.

Важные замечания

Основой аккуратной настройки геометрии подвески любого автомобиля является проведение измерений всех переменных величин от одной опорной точки. Это прежде всего означает необходимость подготовки плоскости измерений (пола). Пол должен быть горизонтальным и абсолютно плоским и на 1 метр шире и длиннее габаритов автомобиля. Провести правильные измерения и затем отрегулировать подвеску без выполнения указанных требований невозможно. Отклонение поверхности пола от плоскости не должно превышать 1 мм по всей поверхности. Это требование может выглядеть очень строгим, однако обычные бетонные полы можно выполнить с указанной точностью на гораздо большем пространстве, чем нужно для зоны измерений. Бетонный пол, подвергнутый при укладке дополнительной обработке, может быть идеально ровным. Если пол уже уложен, приведение его в порядок потребует дополнительных усилий: в среднем отклонения от плоскости у бетонных полов достигает 3 мм, что не отвечает требованиям к точности измерений. При этом возможно реально провести регулировки подвески с достаточной точностью, однако нельзя получить автомобиль «без пятнышка». Любой пол, или часть пола, на горизонтальность можно проверить с помощью строительного уровня. Выровнять пол по горизонту можно без особенных затрат с помощью самовыравнивающегося компаунда, продающегося в строительных магазинах. Обычно этот компаунд используется для выравнивания пола до укладки кафеля и в большинстве случаев не предназначен для передвижения по нему автомобиля, однако если подложка пола достаточно прочная, его применение оправдано, кроме того, пользоваться компаундом может любой человек.

Причина применения компаунда лежит в его жидкотекучести. Поверхность, которую нужно выровнять, огораживают небольшой опалубкой и затем заливают компаунд. Поверхность компаунда располагается по горизонту и до застывания становится абсолютно гладкой. По соображениям прочности минимальная толщина компаунда должна быть больше 3 мм. подготовленный таким образом пол может прослужить несколько лет.

Можно провести регулировки автомобиля «на стороне», в помещении удовлетворяющем указанным условиям, что также создает определенные неудобства, но вам не придется тратить время и деньги на подготовку пола в собственном гараже.

Если работы, связанные с регулировкой подвески, проводятся регулярно, участок пола, где проводятся регулировки (проверенный на горизонтальность и плоскостность), обычно помечают по периметру краской. Эта зона по возможности не должна использоваться для работ, не связанных с регулировками подвески, включая хранение автомобиля.

Надо ясно себе представлять, что все измерения и проверки, предлагаемые в этой книге, должны проводиться в указанных выше условиях. Нарушение этих обязательных требований приведет к ошибкам, которые отразятся на управляемости автомобиля.

Заметим, что проходящие в книге ссылки на «точки измерения шасси и подвески» означают те места автомобиля, в которых крепятся рычаги подвески. Не делается различия между рамной конструкцией и несущим кузовом.

Термины и определения

Имеется несколько общих терминов, которые часто применяются при обсуждении вопросов регулировки подвески. К этим терминам относятся положительный и отрицательный развал колес (camber), продольный наклон оси поворота колеса (castor или caster), угол нижнего рычага, угол верхнего рычага, положительное и отрицательное схождение колес. Эти термины нужно знать и понимать. Ниже приведем краткое определение каждого термина и, по возможности, их влияние на управляемость.

Недостаточная поворачиваемость

Недостаточная поворачиваемость — управляемые колеса направлены внутрь поворота, но автомобиль старается поддерживать прямолинейное движение.

Если автомобиль старается поддерживать прямолинейное движение при повороте управляемых колес внутрь поворота, говорят о недостаточной поворачиваемости автомобиля. Это общая проблема, когда автомобиль слишком близко подходит к границе своих возможностей по управляемости.

К недостаточной поворачиваемости приводят несколько причин, большинство из которых могут быть скомпенсированы или устранены с помощью регулировок или модификаций узлов. Большинство людей хотят сделать что-нибудь для избавления от недостаточной поворачиваемости, потому, что она постоянно приводит в замешательство водителя. Недостаточная поворачиваемость вынуждает проходить повороты так, чтобы снизить ее эффект. В любом случае это означает, что автомобиль будет двигаться медленнее, чем он может. Нет ничего лучше, чем управлять автомобилем, который никогда не показывает недостаточную поворачиваемость и прощает ошибки при прохождении поворота.

В большинстве случаев к недостаточной поворачиваемости ведет неправильная установка колес (шины не имеют достаточного сцепления с дорогой). Тем или иным путем обычно все возвращается к геометрии подвески, за исключением выбора шин. Другим фактором, приводящим к недостаточной поворачиваемости, является взаимная «борьба» передних колес (см. раздел «Проблемы при прохождении поворотов»).

Избыточная поворачиваемость

Избыточная поворачиваемость проявляет себя как стремление автомобиля к заносу заднего моста при прохождении поворота. Автомобиль достаточно хорошо входит в поворот, но затем задний мост начинает заносить в сторону противоположную повороту: как говорят «автомобиль вильнул хвостом». Этот эффект может дать преимущества в прохождении поворотов в гонках, но зато ограничивает возможности возвращения автомобиля к прямолинейному движению.

Если избыточная поворачиваемость очень велика, автомобиль практически всегда переходит к неуправляемому вращению. Только одна вещь поможет в некоторой степени справится с создавшимся положением: установка более мягких шин, которые сцепляются с дорогой, а не скользят по ней. Избыточная поворачиваемость может быть уменьшена путем изменения схождения задних колес или изменением колесной базы.

Избыточная поворачиваемость — автомобиль входит в поворот, но немедленно начинает поворачиваться вокруг вертикальной оси или «сходит» с траектории.	Корректировка поворачиваемости обратным движением руля предотвращает выход автомобиля из-под контроля (занос заднего моста).

Статический отрицательный развал (Static Negative Camber)

Главным образом с развалом устанавливают передние колеса. Применение развала задних колес как правило используют только при независимой задней подвеске. Термин «отрицательный развал» применяется в случае, когда верхняя часть колеса или вертикальная ось колеса направлена внутрь колеи автомобиля (при положительном развале вертикальная ось колеса направлена наружу). «Статический» отрицательный развал определяется на стоящем автомобиле, при нормальном распределении нагрузки по осям и при управляемых колесах, установленных в положении прямолинейного движения. Отрицательный развал требует некоторого диапазона регулировки, обычно около двух градусов или несколько больше. Некоторые специальные гоночные автомобили, по специфическим причинам, имеют отрицательный развал до пяти градусов. Принято, что идеальный статический отрицательный развал должен иметь регулировки от 0,5 до 1,5 градусов. В этот допуск углов укладываются все автомобили, которые движутся со скоростями, диапазон которых рассматривается в рамках данной книги.

Хотя в статике устанавливается отрицательный угол развала, это не означает, что при прохождении поворота с некоторым креном кузова регулировки остаются неизменными: это далеко не так.

Отрицательный угол развала обычно вещь хорошая, но далеко не во всех случаях.

Отрицательный развал передних колес в два градуса.	Отрицательный развал в пять градусов так же плох, как выглядит.

Динамический угол развала (Dynamic Camber)

Автомобиль поворачивает в право с креном кузова. Внутреннее колесо (А) имеет нулевой развал, внешнее колесо (В) имеет 2 градуса отрицательного развала: это идеальный случай, но трудно достижимый.

Этот термин применим в условиях движущегося автомобиля и, особенно, при прохождении поворотов. Три события могут произойти с левым передним колесом при повороте вправо:

статический развал не изменится
увеличится отрицательный угол развала
отрицательный развал перейдет в положительный (до двух-трех градусов в тяжелом повороте)

Естественно, то же происходит с правым колесом в левом повороте. Поскольку крен кузова изменяет геометрию подвески, желательно чтобы колесо в повороте имело от 1 градуса отрицательного развала до 2 градусов положительного. Если динамический развал выходит за указанные пределы, требуется введение корректировок, даже если управляемость остается вполне удовлетворительной. К указанным величинам динамического развала нужно стремиться при конструировании подвески. Правое колесо в правом повороте в идеале должно иметь нулевой динамический развал. На практике, наиболее часто встречается вариант, когда правое переднее колесо имеет небольшой отрицательный развал (или, что хуже, очень большой отрицательный развал: до 8°, что невозможно).

Итак, если автомобиль проходит крутой правый поворот на максимально возможной скорости левое переднее колесо может иметь развал от минус одного до плюс шести градусов, в то время как в идеальном случае развал должен быть ограничен диапазоном от минус одного до плюс двух градусов.

В той же ситуации правое переднее колесо может иметь развал от нуля до минус восьми градусов. В идеале это колесо должно иметь развал от нуля до минус двух градусов (нулевой развал получить очень трудно, а отрицательный в восемь градусов свидетельствует о печальном состоянии дел).

Основная причина необходимости иметь возможность регулировать развал в том, чтобы обеспечить правильный контакт шины с дорогой, при изменении нагрузки на колеса при прохождении поворотов. Положение шины становится особенно важным в тяжелых поворотах. При положительном развале больше пяти градусов шина левого переднего колеса в правом повороте старается провернуться на диске, что ухудшает управляемость. Если в это же время внутреннее колесо имеет отрицательный развал, так что пятно контакта составляет только 30% от максимально возможного, автомобиль будет себя вести не так, как если бы он имел недостаточную поворачиваемость. Частично секрет хорошего динамического развала раскрывается в правильном выборе положительного продольного наклона оси поворота.

Положительный угол продольного наклона оси поворота (Positive Castor)

Положительный угол продольного наклона оси поворота (X). Точка (А) соответствует центру шарового шарнира верхнего рычага, Точка (В) соответствует центру шарового шарнира нижнего рычага. «С-С» — вертикальная ось.

Угол продольного наклона оси поворота считается положительным, если ее верхняя часть отклонена к заднему мосту. Колесная ступица (поворотный кулак) крепится к рычагам подвески через шаровые шарниры. Эффективный угол продольного наклона определяется как угол между вертикалью и линией, проходящей через центры шарниров поворотного кулака. Диапазон положительного продольного угла наклона оси поворота находится в пределах от 4° до 8°. Углы, меньше 4° не оказывают никакого заметного эффекта. Углы, больше 8° устанавливать не имеет смысла. Регулировку всегда нужно начинать с малых углов с начальным шагом в один градус: с увеличением угла продольного наклона руль становится все более «тяжелым», не следует и проводить регулировку в обратном порядке от 8° к 4°.

Влияние угла продольного наклона оси поворота проявляется в изменении развала колес (на одном колесе развал увеличивается, на другом уменьшается, в зависимости от направления поворота колеса). Дополнительно продольный наклон оси поворота приводит к стабилизации курсовой устойчивости автомобиля. Чем больше угол продольного наклона, тем большее приращение угла развала достигается при одном и том же повороте рулевого колеса. Итак, изменение угла продольного наклона оси поворота является хорошим методом изменения развала при прохождении поворотов. Например, для автомобиля, делающего правый поворот, левое переднее колесо увеличивает отрицательный развал, в то время как правое колесо отрицательный развал теряет (здесь мы не принимаем в расчет крен кузова).

Напомним, что продольный и поперечный углы наклона оси поворота очень тесно связаны между собой. Каждый их них вносит свой вклад в изменение развала колес при повороте рулевого колеса. Большой угол поперечного наклона совместно с большим углом продольного наклона при прохождении поворота приводят к увеличению развала нагруженного колеса и уменьшению развала разгруженного колеса. Мы можем найти такую комбинацию углов продольного и поперечного наклона оси поворота, которая приведет к требуемой динамической геометрии подвески. Так, поворотный кулак с небольшим углом поперечного наклона оси поворота может потребовать введения большого угла продольного наклона.

Сначала установим небольшой положительный продольный угол наклона оси поворота (например, в три градуса), при этом отрицательный развал не достаточен для правильной установки шины в тяжелом повороте. Затем с шагом в один градус будем увеличивать продольный наклон (одновременно на обоих колесах) до получения желаемого контакта шины с дорогой.

Очень важно, чтобы углы продольного наклона оси поворота были равны с обеих сторон автомобиля (исключение составляют трековые автомобили, едущие по трассе с односторонними поворотами).

Угол поперечного наклона оси поворота (King Pin Inclination KPI)

Угол (А) поперечного наклона оси поворота, сформированный вертикальной осью «В-В» и линией центров шарниров «С-С» поворотного кулака. Ось ступицы «D-D» перпендикулярна оси «В-В».

Хотя современные автомобили не имеют поворотного шкворня как такового, конструкция поворотного кулака такова, как будто шкворень есть и имеет свои углы продольного и поперечного наклона. Настоящий шкворень, вокруг которого поворачивается колесо, применялись на не разрезных мостах довольно давно. Многие создатели гоночных автомобилей, предназначенных для гонок по овальному треку, все еще применяют не разрезную балку переднего моста и, соответственно, устанавливают настоящий шкворень. Такая конструкция имеет в этом приложении некоторые преимущества перед другими типами подвески, хотя и является «старомодной». Итак, хотя шкворня как такового может и не быть, термины продольный и поперечный наклоны шкворня все еще остаются в употреблении.

Примечание переводчика: приведенные рассуждения о терминологии актуальны в английском оригинале. В англоязычной литературе по автомобилестроению термин «king pin inclination» (поперечный наклон шкворня) получил законное сокращение KPI, которое никто не собирается изменять. Мы же в переводе отказались от терминов «продольный наклон шкворня» и «поперечный наклон шкворня», заменив их на термины «продольный наклон оси поворота колеса» и «поперечный наклон оси поворота колеса» соответственно.

В частности, поперечный наклон оси поворота определяет статический развал колес.

Поскольку поперечный наклон относительно трудно регулировать, обычно для регулировки динамического развала применяется изменение продольного угла оси поворота.

Ударное управление (Bump Steer)

Подвеска, в которой отсутствует ударное управление

Основное требование для подвески, в которой отсутствует ударное управление, это то, что опоры рычагов подвески «А» и «С» и шарнир рулевой рейки «В», располагаются на одной линии (колеса в положении прямолинейного движения). Центры шаровых шарниров ступицы под установку верхнего и нижнего рычагов подвески и рулевой тяги должны быть установлены, как показано на рисунке (то же в горизонтальной плоскости).

Ударное управление возникает, когда одно или оба передних колеса изменяют свое схождение под действием неровностей дороги. Это приводит к потере курсовой устойчивости автомобиля («вилянию») при неподвижном рулевом колесе. Проблемы ударного управления могут быть почти всегда устранены регулировками геометрии подвески или модификацией отдельных компонентов.

Ударное управление может дать небольшое улучшение в прохождении поворотов, связанное с уменьшением схождения внутреннего колеса (имеет место крен кузова и зависание колеса). На внешнее колесо дополнительного воздействия не оказывается. Что нужно изменить в подвеске с небольшой степенью ударного управления (которое нельзя полностью устранить)? В этом случае предпочтительнее перевести изменение схождения колес из-за ударного управления на момент нижнего положения рычагов подвески, чем на момент их верхнего положения. Если не удается устранить ударное управление простым изменением места подсоединения рулевой тяги, то надо, по крайней мере, сделать так, чтобы этот эффект работал на вас, а не против вас.