Чем гоночные покрышки отличаются от серийных и как заставить их показать все, на что они способны?
«Вы никогда не выиграете гонку без понимания работы шин»
Росс Бентли, американский автогонщик и тренер
В автоспорте машина и пилот образуют единую систему. Несущийся по трассе автомобиль нельзя рассматривать отдельно от пилота и наоборот. Лишних деталей в системе нет, оставлено только то, что способствует высокой скорости прохождения круга. И одно из основных ее звеньев — шины.
Каждая сила, влияющая на автомобиль, действует через колеса. Точно так же, как и работа пилота с любыми органами управления изменяет взаимодействие машины с дорогой через эти точки. И если возникают проблемы с управляемостью, то прежде, чем бросаться менять настройки, следует понять, насколько правильно работают шины.
Корректировка давления в шинах — часть настройки автомобиля. Гоночные шины всегда накачивают воздухом, обогащенным азотом — такая смесь позволяет минимизировать перепады давления в зависимости от температуры
Функция покрышек, если говорить о кольцевом автоспорте, — как можно лучше удерживать автомобиль на трассе. Существует четыре фактора, влияющие на силу сцепления колес с дорогой: коэффициент трения между шиной и асфальтом, температура, площадь пятна контакта и вертикальная нагрузка.
Коэффициент трения — это количественная характеристика силы, необходимой для скольжения или движения одного материала по поверхности другого. В нашем случае коэффициент зависит от химического состава резины и асфальта, фактуры его поверхности (гладкий, шероховатый) и состояния (сухой, мокрый).
Любая шина разработана с расчетом на оптимальные температурные режимы — именно в их пределах она обеспечит максимальное сцепление с дорожным полотном. Для летней дорожной шины со спортивным уклоном это 65—95 °C, для гоночных покрышек — 95—125°C. Если пилот едет недостаточно активно, чтобы прогреть шины до нужных температур, они не дадут ему максимум сцепления. Если же он слишком агрессивен и перегревает их, то, кроме ухудшения сцепления, начнется разрушение и повышенный износ.
График соотношения температуры шин и реализуемой продольной/поперечной силы (сцепления). Из него видно, что с увеличением температуры увеличивается и сцепление, но только до определенного момента, после которого шины начинают его терять
Для замера температуры покрышек используется датчик с зондом, погружаемым на глубину в несколько миллиметров. Он работает точнее, чем бесконтактные инфракрасные термометры — пирометры, способные измерить лишь температуру поверхности. Из-за быстрой теплоотдачи на открытом воздухе, поверхность колеса на 20—30 градусов холоднее показателей, взятых с помощью зонда.
Замер температуры происходит в трех точках поверхности протектора — на внутреннем крае, в центре и на внешнем крае и позволяет понять правильно ли выбрано давление в колесах, углы установки колес, каков общий баланс автомобиля.
Замер температуры и давления лучше всего производить после быстрого круга, в этом случае показатели будут наиболее объективными. После остановки автомобиля не должно пройти больше минуты — этого времени достаточно, чтобы температура упала на несколько градусов
Инженеры стремятся к одинаковой температуре по всей ширине протектора и минимальной разнице в нагреве передних и задних колес. Если температура внутреннего края на порядок выше наружного, значит развал колес излишне отрицателен. В случае, когда температура в центре протектора превышает средний показатель температуры краев, скорее всего давление в шинах слишком высоко. Если колеса задней оси нагреваются гораздо сильнее, чем колеса передней — налицо избыточная поворачиваемость. Все эти суждения справедливы и для противоположных явлений.
Если удалось добиться одинаковой температуры по всей ширине протектора, значит, кроме прочего, удалось максимизировать пятно контакта без ущерба для баланса автомобиля из-за слишком низкого давления.
Важность площади соприкосновения шин с дорогой осознали в компании M&HTyres, начавшей выпускать покрышки для дрег-рейсинга в 1950-х. В этой гоночной дисциплине успех зависит от сцепления в той же степени, что и от мощности двигателя. Поэтому английские специалисты, борясь за квадратные сантиметры пятна контакта, решили избавиться от ненужных на четырехсотметровой сухой прямой канавок на шинах. Так появились слики, без которых невозможно представить современные кольцевые гонки от картинга до F1
С 1998 по 2008 год в F1 действовал запрет на слики. Он был введен по соображениям безопасности с целью снизить скорости в поворотах за счет ухудшения сцепления. На шинах появились канавки, из-за чего их назвали «псевдо-сликами». Позже от идеи отказались, решив бороться со скоростью путем ограничения размеров аэродинамических элементов
Именно погоней за большим пятном контакта объясняются большие и широкие колеса гоночных автомобилей. Когда-то она доводила до создания радикальных машин. В наши дни ширина, высота и даже количество колес ограничено регламентами гоночных серий, поэтому влиять на сцепление с дорогой их увеличением конструкторы и инженеры больше не могут.
Tyrrell P34 — шестиколесный автомобиль F1, спроектированный Дереком Гарднером для участия в чемпионате мира 1976 года. Кроме увеличения площади пятна контакта такая конструкция позволяла уменьшить подъемную силу, действующую на переднюю часть машины. Автомобиль не уступал соперникам, но и не имел большого преимущества, и Tyrrell закончил чемпионат на третьем месте
Не ограничена правилами, но влияет на пятно контакта вертикальная нагрузка. Загружая колесо, мы увеличиваем вес, приходящийся на его пятно контакта, которое тоже увеличивается. Так можно повышать лимит сцепления шин с дорогой, пока они не станут перегруженными, и не перестанут выполнять работу по удержанию машины в повороте. Однако чем тяжелее автомобиль, тем медленнее он разгоняется, и тем большая центробежная сила действует на него в поворотах.
График соотношения вертикальной нагрузки и продольной/поперечной силы (сцепления). С увеличением нагрузки увеличивается сцепление, что демонстрирует теоретическая линейная функция. Однако в реальности увеличивается и поперечная сила, действующая на автомобиль в поворотах. В результате при чрезмерной нагрузке происходит ухудшение сцепных возможностей шин
Аэродинамика — отличный способ избежать повышения веса. Создаваемая ею на высоких скоростях сила прижимает автомобиль к дороге, что увеличивает сцепление с ней. Однако вес автомобиля не увеличивается, соответственно поперечная сила не меняется, и мы получаем улучшение сцепления без увеличения объема работы шин по удержанию машины в повороте. Правда, это работает там, где есть скорость — в быстрых поворотах.
В медленных помогают мягкие составы резины — они улучшают ее сцепные свойства, но изнашиваются быстрее. Мягкость резины определяется изменением пропорций элементов, входящих в ее состав. Основными, влияющими на мягкость, являются углерод, сера и масло.
В кольцевых гонках грузовиков вертикальная нагрузка превышает тонну на каждое колесо
Жизненный цикл гоночной покрышки в десятки раз короче дорожной. Он составляет в среднем 200 километров или около 30 кругов по современной трассе, и состоит из трех фаз — прогрева, сцепления и разрушения.
Новый комплект шин выходит на пик работоспособности не сразу. Для его достижения требуется, чтобы равномерно стерся самый верхний тонкий слой, а также была достигнута рабочая температура. Как правило, на это уходит от одного до трех кругов. Гонщик в этот период ни в коем случае не должен агрессивно скользить и делать пробуксовки — иначе он уничтожит следующий, самый «быстрый» слой резины и превысит температурный режим. Тем не менее, если он будет излишне осторожен, то, так или иначе стерев верхний слой и добравшись до того, который позволяет ехать быстро, не выйдет на необходимую температуру и потратит его зря. Эффективным способом достигнуть золотой середины является прогрев с помощью разгонов и торможений. В этом случае нагрев колодок и тормозных дисков (в болидах F1 их рабочая температура — до 1200°C) передается на колесные диски, которые в свою очередь прогревают шины. Такой прогрев происходит более равномерно и эффективно, чем от трения протектора об асфальт. Самые мягкие составы, требующие наиболее бережного обращения, лучше всего прогреваются именно таким способом, без привычных виляний из стороны в сторону.
После прогрева наступает пиковая фаза сцепления. Ее продолжительность зависит от состава резины. На супермягких Pirelli PZero, использующихся в сериях F1, GP2 и GP3 у пилотов есть не больше пяти кругов, чтобы реализовать потенциал машины. Именно в этой фазе достигается заветное максимальное сцепление. Задача пилота — ехать на грани лимита сцепления, но не превышать его. Если превысить предел сцепления на торможении, произойдет блокировка. Въехать в поворот на завышенной скорости — снос передней оси. Рано или агрессивно нажать на газ — занос или пробуксовка. Для серийного автомобиля такая величина будет соответствовать примерно 1,0—1,5g продольных и поперечных перегрузок, для болида Формулы-1 — 4—5g.
Блокировка колес при торможении выглядит эффектно, но является ошибкой. Замедление происходит недостаточно быстро, а колесо перестает быть идеально круглым — та часть окружности, которая несколько десятков метров скользила по асфальту, становится плоской. При последующих торможениях возрастают шансы заблокировать колесо в том же месте еще раз, что только усугубит ситуацию. К тому же возникают вибрации. На последнем круге Гран При Германии 2005 года на машине лидирующего Кими Райкконена из-за вибраций, вызванных заблокированным колесом, разрушилась передняя подвеска
После достижения пика работоспособности гоночной резины происходит спад ее свойств. Сцепление неумолимо уменьшается, и вот уже тормозить нужно на 10 метров раньше, чтобы не заблокировать колеса, и минимальная скорость в повороте падает на несколько километров в час… Эта фаза — самая продолжительная в жизненном цикле гоночных покрышек и протекать она может по-разному. Какие-то типы резины ясно дадут пилоту понять, что пик прошел, но зато будут стабильны на протяжении еще 15 кругов. После этого произойдет еще одно ступенчатое ухудшение, в гоночной терминологии называющееся drop-off. У других же спад будет планомерным и предсказуемым, и продолжится до того момента, когда по секундомеру и ощущениям будет понятно, что нет никакого смысла продолжать укатывать данный комплект.
Конечно, существует гораздо больше сценариев развития событий, и зависят они от погодных условий, абразивности покрытия, стиля пилотирования и даже положения других автомобилей на трассе. Так, следование за машиной соперника косвенно вызывает повышенный износ резины. В поворотах впередиидущий автомобиль рассекает воздушную массу, оставляя за собой лишь турбулентные потоки, которые мало пригодны для обеспечения прижимной силы. У второго автомобиля возникает аэродинамическая недостаточная поворачиваемость, и передние колеса в поворотах более подвержены сносу, а задние на разгоне пробуксовывают сильнее.
Гоночные покрышки разработаны таким образом, чтобы в процессе износа они стирались как можно более равномерно. Тем не менее, при перегреве могут появиться вздутия резины, вызванные образованием полостей с расширившимся горячим воздухом внутри протектора. Они приводят к разрушению шины изнутри и отсоединению от нее кусков вплоть до обнажения каркаса шины.
После полного дня заездов в разных классах на трассе вне гоночной траектории оказывается множество мелких кусков резины — побочного продукта износа мягких составов. За год участники F1 таким образом оставляют на трассах мира около десяти тонн резины. Двигаясь по этим «червячкам» в течение одного круга, можно набрать больше одного килограмма. Гонщики пользуются этим после финиша, чтобы перестраховаться от недовеса
В дождь слики меняют на шины дождевого или промежуточного типа. Рисунком протектора они больше напоминают серийные, но на сухом асфальте не способны продержаться в рабочем состоянии и нескольких кругов. Все потому, что для компенсации потери площади пятна контакта и сцепления на скользкой дороге, в них используются ультра-мягкие составы. Если же после дождя трасса начинает подсыхать, а остановка нецелесообразна из-за потери времени, пилоты специально едут по мокрым участкам, чтобы охладить шины и продлить срок их службы.
Рисунок протектора современных дождевых шин на скорости свыше 300 км/ч способен выводить из пятна контакта до 60 литров воды в секунду
Во многих гоночных сериях количество комплектов шин на один уик-энд ограничено регламентом. Уик-энды бывают разными по продолжительности (от 2,5 часов вождения за выходные в юниорских формулах до десятков часов в гонках на выносливость), так что количество покрышек тоже разнится. Обеспечивающая все 24 машины Формулы-1 компания Pirelli привозит на Гран При 1800 колес, а поставщик 38 экипажей Ле-Мана французский Michelin доставляет на легендарную гонку 6800 колес — и то меньше, чем раньше, когда гоночные шины были не столь долговечны.
Кроме доставки колес на трассу, поставщики занимаются обслуживанием своих клиентов. Команде специалистов разрешен проход на пит-лейн и в боксы команд. Эти люди производят замеры характеристик шин на разных стадиях износа и сотрудничают с гоночными коллективами. При этом профессиональная этика подразумевает нейтралитет в отношениях с командами. Это может быть сложным хотя бы потому, что, например, в той же фирме Michelin гораздо быстрее находили общий французский язык со своими соотечественниками из Peugeot, чем с представителями их соперников из Audi.
На гонки международного масштаб приезжает до 50 шинников, но это — лишь вершина айсберга. В компаниях-производителях шин выделяют отдельные заводы по изготовлению спортивных и гоночных покрышек. Британская компания Dunlop выпускает в общей сложности 250000 шин в год на заводе в Бирмингеме, которому присвоено имя Форт Dunlop. Здесь производят шины для чемпионатов BTCC, Dutch Supercar Challenge и гонок исторических автомобилей. Завод Goodyear в Акроне, штат Огайо, изготавливает шины для гоночной серии NASCAR. Он располагается на площади 78000 м2, производственная линия по длине сопоставима с длиной двух футбольных полей, а рядом находится тестовая трасса. Новые модели перед выездом на реальную трассу проходят испытания — на специальных стендах их разгоняют до 450 км/ч и нагревают до 150 °C.
Одно из испытаний во время тестов компании Pirelli — многократный проезд по неровным поребрикам на скорости 260 км/ч
Куда двинется прогресс в области гоночных шин в ближайшие годы? Не исключено, что в спорте приживется технология run-flat — жесткие вставки в боковину, позволяющие какое-то время протянуть на спущенном колесе. А автомобильно-инженерная лаборатория университета Хельсинки спроектировала датчик потенциала сцепления с дорогой, измеряющий действующие на автомобиль поперечные силы через движения каркаса шины. Добавляя эту информацию к той, что поступает с существующих датчиков динамики автомобиля, процессор может определять коэффициент сцепления с дорогой еще до того, как в работу включаются ABS и ESP.
В Pirelli также работают над созданием «умной» покрышки. Технология носит название Pirelli Cyber и заключается в размещении на боковой части шины чипа размером чуть более 1см3, и питающей его системы, преобразующей кинетическую энергию крутящегося колеса в электрическую. Чип передает в автомобиль по беспроводной связи информацию о температуре, давлении, ускорении по трем осям, вертикальной нагрузке на колесо, рассчитывает пятно контакта и коэффициент сцепления. Цель — сделать из шины датчик, буквально проверяющий поверхность дороги на ощупь, для лучшего контроля автомобиля системами стабилизации.
Чешская компания Coda Developments получила много наград на автомобильных и шинных форумах мира за разработку технологии SIT — самоподдувающейся шины. Она работает по принципу перистальтического насоса, который использует вес и движение автомобиля, чтобы при необходимости повысить давление шины. Перистальтическое движение — ритмическое сокращение стенок трубы. По такому принципу работает пищевод человека.
Но в автомобильной промышленности существует много примеров, когда инновации впервые опробовались в автоспорте, в самых интенсивных условиях эксплуатации. Шинная индустрия — не исключение, поэтому уже в ближайшем будущем мы наверняка увидим новые идеи на гоночных трассах.
|
