Пружины, клиренс и подвеска

Подвеска

Подвеска болида Ф-1 это комплекс механических устройств. Во-первых, это верхние и нижние рычаги. Они представляют собой треугольные, фиброкарбоновые или стальные конструкции, с помощью которых колёсный узел крепится к кузову. В местах крепления на кузове и на колёсном узле имеются шарниры, позволяющие колесу перемещаться вверх-вниз относительно кузова. Обычно рычаги расположены параллельно земле и имеют обтекаемое сечение.
Диагонально, от места соединения колёсного узла с нижним рычагом сквозь крепление верхнего рычага к кузову проходят толкающие штанги, взаимодействующие через систему качающихся рычагов (рокеров) с пружинами, амортизаторами и стабилизаторами (см. правый рис.). Эти штанги передают вес машины на пружины и амортизаторы, а также за счет их длины осуществляется точная регулировка высоты дорожного просвета. Это делается регулировочной муфтой в месте, где штанга уходит внутрь кузова.
Также, параллельно переднему краю верхнего рычага проходят рулевые тяги. Они соединяют верхнюю переднюю секцию колёсного узла с рулевым редуктором, находящимся в носу автомобиля, который передаёт усилие с рулевого колеса. Передаточное отношение этого узла устанавливает максимальный угол поворота руля (steering lock). Изменением длины рулевых тяг также регулируется схождение (Toe-in) передних колёс.\

Регулировка переднего клиренса. Толкающая штанга, амортизаторы и буферы

В носу машины, прямо перед кабиной пилота, под специальным кожухом установлены передние пружины и амортизаторы. При снятом кожухе механики могут получить доступ ко всем механизмам, включая передние пружины (front springs), амортизаторы (dampers) и ограничители хода подвески - буферы (packers).

"В автогонках, включая и Формулу-1, всегда нужно искать компромисс между различными настройками, влияющими на характеристики машины. Не существует чётко определённой последовательности действий, которая позволила бы найти наиболее эффективные настройки надёжным научным путём".

"Из книги Айртона Сенны "Принципы гоночного вождения".

Здесь важно сразу сказать следующее. При настройке компонентов подвески, изменения, более чем где-либо ещё, сказываются сразу на всех четырёх колёсах машины. Так как пружины и амортизаторы контролируют трансфер веса, существует вероятность того, что, регулируя заднюю подвеску можно изменить регулировку передней. И наоборот. В других случаях, таких как, например крылья, не смотря на то, что термин избыточная или недостаточная поворачиваемость описывает реакцию всей машины, в действительности воздействие производится только на один край автомобиля, тот, где и производится регулировка. Очень важно полностью понять специфическое назначение всех элементов подвески, потому что они работают в комплексе.

Пружины (Springs)

Пружины аккумулируют энергию сжимающих и растягивающих сил. При перераспределении веса возникающая энергия поглощается пружинами до тех пор, пока вес не вернётся к своему статическому состоянию. В этот момент пружины просто воспринимают вес автомобиля под действием силы тяжести.

Регулировка переднего клиренса.                          Верхний конец пружины установленный в шарнире

Пружины типичного болида Ф-1 не являются пружинами в традиционном смысле этого слова, а представляют собой скорее "торсионы" (см. левое фото). В то время, как обычные пружины поглощают энергию сжимаясь, торсионные пружины работают на скручивание. Жёсткость пружин регулируется в пределах от 100 до 250 н/мм (для фанатов фунтов в конце имеется справочная таблица перевода мер и весов – прим. переводчика). Нижний конец пружины жёстко закреплён в кузове, в то время как верхний конец через рокер взаимодействует с толкающей штангой (см. правое фото). В задней части машины пружины крепятся с боков к коробке передач. Глядя на рисунок легко представить, на сколько просто и быстро могут быть заменены пружины на современной машине Формулы-1.
Основной функцией пружин является амортизация масс автомобиля (так называемых "подрессоренных масс - которые воспринимаются упругими элементами подвески. К неподрессоренным относят массы колёсного узла в сборе с колесом" ), обеспечение стабильного клиренса, сглаживание кочек и неровностей и ограничение перемещений и кренов кузова из-за трансфера веса при разгоне, торможении и под действием боковых нагрузок. Эти функции становятся критически важными в связи со всё усиливающимся влиянием современной аэродинамики, так как изменение продольного и поперечного крена и высоты кузова снижает аэродинамическую прижимную силу и общую эффективность.
Вот основной принцип: "Мягкие" пружины в целом аккумулируют больше веса, и, следовательно, когда колесо разгружается пружина распрямляется медленнее. Это обеспечивает лучшее сцепление с дорогой, потому что пружина включается в работу под меньшей нагрузкой. С другой стороны за это приходится платить замедленной реакцией машины на действия пилота. "Жёсткие" пружины отражают вес, потому что они нагружаются медленнее, разгружаются быстрее. Это улучшает реакцию автомобиля, но в тоже время может перегрузить колесо раньше, что ухудшает сцепление с трассой.
И помните: понятие "мягче" и "жёстче" весьма относительны. На современном болиде Ф-1 даже мягкие пружины являются очень жёсткими по сравнению со стандартами дорожных автомобилей.

Буферы (Packers)

Буферы - это композитные проставки, надеваемые на штоки амортизаторов. Буферы это последний способ уберечь нижнюю планку от повреждений. Когда подвеска сжимается под очень большим усилием, полностью выбирая ход амортизаторов и пружин, буферы ограничивают дальнейшее перемещение подвески. Они выглядят как жёлтые резиновые кружочки (на предыдущем рисунке слева). Если посмотреть внимательно на рисунок на предыдущей странице, то можно увидеть, что они свободно перемещаются на штоке амортизатора. Размер буферов варьируется от 0 до 4 см. спереди и от 0 до 8 см. сзади. Размер буфера на рисунке составлят приблизительно 2 см.

Дорожный просвет (клиренс) и задний диффузор

Поток воздуха, протекающий под кузовом машины, также создаёт прижимную силу, в основном в задней части автомобиля. Воздух, находящийся у земли, тщательно распределяется под и вокруг специальной планки, прикреплённой к днищу машины. Из-за небольшого просвета между дорожным полотном и планкой давление этого потока резко возрастает (эффект "вентури"). Отсюда, благодаря конструкции заднего диффузора, воздушный поток резко ускоряется. Конструкция диффузора позволяет дозировать количество воздуха под машиной, а затем, за счёт формы выходного сечения увеличивать его объём на выходе. Примерно так же крыло самолёта создаёт подъёмную силу из-за разности скоростей и, соответственно, давлений воздушных потоков обтекающих его сверху и снизу, так и диффузор создаёт пониженное давление под машиной за счёт ускорения воздушной струи. Это "присасывание" обеспечивает бесплатную (т.е. без увеличения сопротивления – прим. переводчика) прижимную силу. Тем не менее, она очень и очень эффективна.
Эта прижимная сила возрастает при уменьшении клиренса машины. Именно поэтому мы стремимся, чтобы дорожный просвет был как можно меньше, не допуская вместе с тем значительного износа планки из-за шкрябания днищем об асфальт. Грубо клиренс определяется жёсткостью пружин, которая в свою очередь определяется исходя из желаемой жёсткости подвески. Более точно желаемый дорожный просвет настраивается с помощью ограничивающих ход подвески буферов (см. рис. на следующей станице).

Дорожный просвет: следует устанавливать как можно меньшее значение, не допуская при этом, что бы нижняя планка задевала асфальт.

Итак, Основные принципы работы подвески:
Пружины (Основное назначение): являются упругим элементом подвески, обеспечивающим "грубый" баланс автомобиля и дорожный просвет.
Передние пружины: следует устанавливать как можно жёстче для обеспечения быстрой реакции машины на действия пилота, и минимально допустимого клиренса.
Задние пружины: следует устанавливать как можно мягче, для лучшего сцепления колёс дорогой на торможениях при входе в поворот и при разгоне на выходе из поворота.
Амортизаторы (Основное назначение): обеспечивают "точный" баланс автомобиля за счёт контроля загрузки/разгрузки пружин при наезде на неровности и при трансфере веса.
Передние амортизаторы: следует устанавливать как можно мягче, для лучшего сцепления передних колёс с трассой.
Задние амортизаторы: следует устанавливать как можно жёстче для большей стабильности в быстрых поворотах.
Медленные параметры: контролируют нагрузку пружин (продольный и поперечный крен) при смещении центра тяжести и трансфере веса.
Быстрые параметры: контролируют неподрессоренные массы (колёсные узлы) при наезде на неровности и бордюры.
Стабилизаторы (основное назначение): ограничивают боковые крены кузова при продолжительных боковых нагрузках во время прохождения поворотов.
Передний стабилизатор: следует устанавливать как можно жёстче, для большей стабильности при входе в поворот.
Задний стабилизатор: следует устанавливать как можно мягче, для лучшего сцепления колёс с трассой при ускорении на выходе из поворота.

Все эти компоненты, работая вместе, создают механическое сцепление с дорогой. Помните, что основная задача – обеспечить работу покрышек с оптимальной температурой, чтобы они в свою очередь, могли обеспечить максимальное сцепление с трассой. Эта температура – прямой результат веса, воздействующего на колесо. В отличие от быстрых поворотов, где подвеска лишь помогает доминирующим аэродинамическим элементам, в медленных поворотах влияние аэродинамической прижимной силы значительно снижается и механическое сцепление выходит на передний план. Вот как подвеска обеспечивает механическое сцепление с трассой:
1. Пружины обеспечивают исходный дорожный просвет и баланс сцепления между передней и задней осями.
2. Когда машина тормозит перед входом в поворот более мягкие задние пружины эффективно справляются с уменьшающимся весом задней части, позволяя подвеске удерживать сцепление не полностью нагруженных задних колёс с дорогой. Амортизаторы контролируют перемещение пружин и их реакцию на внезапные неровности, которые могут ухудшить способность пружин воспринимать этот вес.
3. На входе в поворот амортизаторы продолжают контролировать перемещение подвески в процессе смещения центра тяжести и трансфера веса от внутренней стороны машины к внешней.
4. Когда машина переходит из фазы входа в поворот к собственно повороту, стабилизаторы ограничивают крен на внешнюю сторону, передавая часть веса на внутренние колёса.
5. Когда машина приближается к точке выхода из поворота, стабилизаторы начинают высвобождать энергию, передавая вес обратно на пружины под контролем амортизаторов.
6. На выходе из поворота, в момент, когда к задним колёсам передаётся огромная мощность, вес перемещается на заднюю ось автомобиля. Более мягкие задние пружины теперь позволяют задним колёсам быстрее поглотить эту энергию и применить её максимально эффективно при разгоне.
Учтите: настройка машины - это всегда компромисс. Например: установка слишком жёстких амортизаторов и мягких пружин сведёт на нет работу пружин, поскольку они не позволят им полностью нагрузиться, либо будут разгружаться слишком быстро. Все компоненты должны работать вместе, выполняя каждый свою роль, и именно так обеспечивается эффективная работа подвески и контроль трансфер веса в самых различных условиях трассы. Все детали этого важного аспекта будут подробно рассмотрены в главе "Настройка машины"