Сергей Сироткин: Анатомия машины Ф1: Подвеска

Формула 1 – технический вид спорта, где многое происходит за кадром. Но даже в тех случаях, когда элементы или системы машины видны невооружённым взглядом, понять принципы их работы без специальной подготовки порой непросто.

Мы попросили рассказать об этом резервного пилота Renault F1 и пилота программы SMP Racing Сергея Сироткина. Речь пойдёт о механических настройках – в частности, о подвеске...

Когда мы уверены, что аэродинамические элементы правильно подобраны и оптимизированы между собой, мы переходим к механическим настройкам. Проблема в том, что механические настройки, нужные для эффективной работы аэродинамики и для эффективной работы подвески, почти противоположны, что серьёзно осложняет жизнь инженерам, хотя степень этой сложности зависит от конкретной трассы.

Чтобы достичь максимальной аэродинамической эффективности машины, мы хотим, чтобы шасси сохраняло как можно более стабильное положение над трассой во время любых переменных нагрузок – на торможении, в быстрых поворотах и т.д. Если говорить более конкретно, мы хотим, чтобы машина постоянно сохраняла заданный нами и максимально аэродинамический эффективный рейк, клиренс спереди и сзади. В том числе в повороте клиренс машины должен оставаться одинаковым как под загруженной, так и под разгруженной стороной.

По сути, это значит, что подвеска должна быть полностью неподвижной, чтобы статические настройки машины не менялись под нагрузкой. Но в действительности такая «деревянная» подвеска будет эффективна только на идеально ровной трассе, а таких не существует. На остальных любая неровность будет подбрасывать машину, нарушать клиренс – и приводить к потере эффективности шасси. Кроме того, излишние колебания на кочках негативно влияют на пятно контакта, так что механическое сцепление с трассой тоже ухудшается.

Поэтому конструкторы при создании, а инженеры – при настройке подвески вынуждены искать компромисс, позволяющий шасси как можно дольше находиться в оптимальном положении относительно поверхности. Этот компромисс достигается при помощи правильного выбора настроек подвески, которая должна оказаться достаточно мягкой для сглаживания неровностей, но достаточно жёсткой для сохранения заданного клиренса.

Для максимизации механического сцепления с трассой мы, по сути, нуждаемся сразу в нескольких и в чём-то противоположных вещах. Первое и самое важное – работа с резиной. Именно шины связывают машину с асфальтом, дают нам так называемый «держак», и то, как машина передаёт нагрузку на резину – ключевой момент как для максимизации сцепления с трассой, так и для уменьшения износа резины. При этом используется разный подход при выборе настроек для квалификации и для гонки.

В квалификации потенциал новой резины надо использовать максимально, нужно передать ей достаточную нагрузку, то есть шасси должно быть достаточно жёстким, для чего выбираются соответствующие пружины, амортизаторы и стабилизаторы, а настройки делают агрессивными, для чего мы выставляем соответствующие значения сход/развал/кастер. На гоночной дистанции, наоборот, шасси должно поглощать часть энергии, чтобы она не передавалась резине. Это негативно отражается на максимальном уровне сцепления, но позволяет гораздо дольше сохранять резину в рабочем состоянии.

Всё это хорошо работает только в случае, если пятно контакта шин подобрано оптимально. Жёсткость шасси тут тоже важна, так как боковые крены машины напрямую влияют на пятно контакта. Оптимальное пятно контакта достигается правильным соотношением параметров сход/развал/кастер, но и тут нужно искать компромисс с оптимальными настройками для этой конкретной трассы с точки зрения передачи энергии на резину.

Далее, в зависимости от типа нагрузок, нам нужно принять решение, в каком сечении, продольном или поперечном, пятно контакта должно оказаться наиболее эффективным. Если трасса требовательна к торможениям и хорошему сцеплению на выходе из поворотов, то пятно контакта должно быть максимальным при продольных нагрузках. Если же на трассе много длинных скоростных поворотов, где велики боковые ускорения, то пятно контакта лучше ориентировать на поперечное сечение, лучше работающее при высоких боковых перегрузках.

Как уже говорилось, добиться оптимального пятна контакта под различными нагрузками нам помогают настройки подвески сход/развал/кастер. Со сходом и развалом, думаю, более или менее понятно, а что такое «кастер»? Если посмотреть на машину в профиль, то это отклонение, наклон подвески (как правило, передней) относительно вертикальной оси. Другими словами, то, насколько подвеска завалена назад (положительный кастер) или вперёд (отрицательный кастер) относительно вертикали.

Именно кастер (или кастор, оба варианта равнозначны), вместе со сходом/развалом, и определяют пятно контакта резины в разных условиях и при разном угле поворота колеса. Если немного упростить, то чем больше кастер, тем больше при повороте руля оба передних колеса наклоняются внутрь поворота.

Кастер, как и сход-развал, есть на многих транспортных средствах, как автомобилях, так и мотоциклах, но на обычных машинах он, как правило, невелик – от 0 до 4%. На машинах Формулы 1 кастер гораздо больше – в районе 9-12%. Почему же на гоночных машинах используют столь большие значения кастера? Давайте разберёмся подробнее.

При создании или настройке гоночной машины наша задача – сделать так, чтобы пятно контакта передних колёс было всегда максимальным. Для этого мы выставляем некий развал колёс в расчёте на оптимальную работу шины в середине поворота. Но этот угол будет обеспечивать максимальное пятно контакта только при повороте колёс на определенный угол, а во время, например, торможения с прямым или почти прямым рулём, окажется избыточным, и пятно контакта будет слишком маленьким, а значит, замедление пройдёт неэффективно.

Вот тут на помощь нам и приходит кастер. Мы уменьшаем статическое значение развала, что даёт нам большее пятно контакта в тот момент, когда руль повёрнут прямо, и увеличиваем значение кастера, что компенсирует нехватку угла развала при повороте руля.

И не просто компенсирует, а работает даже эффективнее, потому что при увеличении развала в повороте у нас внешнее колесо будет сильнее наклонено внутрь поворота, а внутреннее, наоборот, наружу, что значительно уменьшает его пятно контакта. Кастер увеличивает наклон обоих передних колес внутрь поворота, то есть увеличивает пятно контакта как на внешнем, так и на внутреннем колесе, при этом снижая излишнее трение при прямолинейном движении.

В целом при настройке демпфирующих элементов задача инженеров стоит так: добиться максимально стабильного положения автомобиля над трассой, с максимально стабильным клиренсом, одновременно как можно лучше отрабатывая неровности и нагружая резину ровно настолько, насколько это необходимо, не больше и не меньше. Если эта задача будет выполнена, гонщик получит возможность полностью использовать потенциал шасси.

Но и это ещё не всё. Кроме всех вышеперечисленных настроек, машина должна оставаться механически и аэродинамически сбалансированной. То есть, иметь нейтральную поворачиваемость в как можно большем числе поворотов на трассе – а они, как правило, требуют от машины совершенно разных характеристик. Чтобы добиться этого, инженерам снова приходится искать компромисс.