Противодействие наклону и работа шин

| | Комментарии (0) | TrackBacks (0)

ЗАКОНЫ ПРИРОДЫ

Когда Ньютон впервые изложил миру свою теорию механики, несомненно он не имел ввиду взаимодействие шин мотоцикла с поверхностью дороги. Тем не менее, его предположения также верны и в этой ситуации. В частности то, которое утверждает, что «Для каждой прилагаемой силы существует равная и противоположно направленная приложенная сила» или, если сформулировать это иначе, «Действие и противодействие равны и противоположны». В отношении работы шины это означает, что когда шина толкает дорогу, дорога с равной силой толкает шину в обратном направлении. Это справедливо вне зависимости от того, рассматриваем ли мы поддержание равновесия байка или сопротивление в повороте, торможение или перевозку груза. Данный закон Ньютона не рассматривает лишь то, какая сила является изначальной, а также он не имеет значения для многих целей анализа. Но его стоит знать как направление в понимании некоторых физических систем. Силы, которые действуют в связке земля – шина, существенно определяют поведение наших машин, но часто их просто считают уже доказанными.

ТОРМОЖЕНИЕ

При торможении вращающий момент передается через колесо к пятну контакта, где он проявляет себя как линейная горизонтальная сила по поверхности дороги. При ускорении ситуация аналогична, за исключением того, что направление сил обратно. Достаточно очевидно и легко понять, что шина начинает действие, а дорога реагирует на него.

ДВИЖЕНИЕ В ПОВОРОТЕ

Но когда мы хотим изучить действие сил при движении в повороте и то, как они генерируются, то все становится слегка туманно. Когда мы движемся по кривой, генерируются центробежные силы вследствие стремления байка двигаться по прямой линии – силы инерции. Для противодействия этому стремлению дорога должна взаимодействовать с шиной так, чтобы возникла сила, направленная в центр кривой. Но очевидно, что дорога не знает, когда мы хотим повернуть, так что сама шина, через сигналы, которые ездок передает ей, начинает процесс. Подробности механизма того, как это происходит в действительности, не столь очевидны и более сложны, чем может показаться с первого взгляда. И у автомобилистов и у мотоциклистов может возникнуть вопрос, почему необходимо поворачивать передние колеса на автомобиле больше, чем на мотоцикле для прохождения одного и того же поворота при одинаковой скорости. Существенная разница в том, что байк необходимо наклонять внутрь поворота для сохранения баланса, в то время как автомобиль остается по сути в вертикальном положении.

Рассмотрим колесо в вертикальном положении, как в автомобиле, двигающееся по кривой траектории (рис. 1). Если колесо следует направлению кривой в каждой конкретной ее точке (т.е. указывает в направлении движения), то оно будет стремиться двигаться по касательной к кривой и не будет генерировать боковую реакцию колес (поворачивающую силу).

f-t01.gif

Теперь ясно, что необходимо сделать еще что-то, чтобы заставить связку шина – дорога генерировать требуемую центробежную силу. В автомобиле или в другом самобалансирующемся транспортном средстве это достигается путем поворота колеса дальше линии кривой внутрь. Угол между направлением шины и касательной к кривой известен как «угол бокового увода колеса» (угол увода). Рис 2 показывает, как это работает.

Так как колесо больше не движется точно по направлению, в котором оно смотрит, мы можем разложить его скорость, касательную к кривой, на составляющие, совпадающие с направлением колеса и перпендикулярные ему. Это значит, что окружная скорость шины будет слегка меньше скорости относительно дороги на повороте, но также существует боковая скорость, приложенная к шине, т.е. она скользит вбок. Это боковое движение создает силу под прямым углом к направлению колеса. Величина этой силы зависит от угла увода, возрастая до 15°, а затем резко падая – когда колесо начинает заносить. Эту боковую силу колеса можно, в свою очередь, разложить на составляющие под прямым углом к направлению движения, поворачивающую силу и на силу, совпадающую по направлению с движением – тяговую силу. Именно тяговая сила вызывает замедление автомобиля при резком повороте при постоянной мощности. Итак, теперь мы видим, что именно генерирует и контролирует силы, вынуждающие автомобиль поворачивать, а также почему колеса должны быть повернуты на больший угол, чем необходимо для совпадения с направлением кривой.

Рис 3 показывает вид сзади на наклоненное колесо байка и то, как его можно рассматривать в виде части конуса.

Так как внутренний угол шины движется по меньшему радиусу, чем внешний угол, то при заданной скорости вращения колеса, внутренний угол будет скорее двигаться при меньшей дорожной скорости, что и происходит, когда колесо может вращаться вокруг вертикальной оси через вершину конуса – так же, как и цельный конус на столе, если его толкнуть. Но если байк наклоняется больше, чем на 45°, то при шине нормального размера горизонтальный радиус по оси конуса составляет примерно 1,5 фута – невозможно крутой поворот. Однако, попытка сделать такой поворот вызовет центробежную силу, которая старается выбросить байк из центра поворота, вследствие чего он опишет больший радиус. Это и есть основной механизм генерирования поворачивающей силы у мотоцикла, и он часто называется и неправильно понимается как «УВОД ШИН В ПОВОРОТЕ». Повторим еще раз – когда колесо наклоняется – уводится – оно старается вести себя как часть конуса и повернуть под резким углом, но центробежная сила генерирует силы, спрямляющие этот резкий поворот и заставляет колесо следовать по тому радиусу, по которому желает водитель.

Таким образом поворачивающая сила может генерироваться без угла увода, так необходимого в автомобиле.

Но так как угол увода байка определяется необходимостью балансировать машину при данной скорости и при данном радиусе поворота, вряд ли во всех этих случаях увод шин в повороте будет точно равен теоретической величине. Так, скажем, размер шин и их структура будут влиять на эту силу при определенном угле наклона. Следовательно, необходимо иметь дополнительный метод корректировки поворачивающей силы до нужного нам значения, чтобы совершить такой поворот. Это делается просто применением небольшого угла увода при помощи руля. Если появляющаяся сила увода шин при повороте недостаточна для соответствия требуемой поворачивающей силы, то мы просто чуть доворачиваем руль в сторону центра поворота, или, другими словами, используем положительный угол увода. При условиях же, когда имеется излишек поворачивающей силы, приходится применять отрицательные углы увода, т.е. отворачивать в сторону от поворота. Так что в следующий раз, когда вы увидите фотографии какой-либо гонки, где переднее колесо байка будет чуть-чуть вывернуто в сторону, противоположную повороту, не считайте сразу же, что водителя заносит. Возможно его широкие шины с большим коэффициентом сцепления просто создали слишком большую поворачивающую силу в повороте, исправляемую отрицательным углом увода. Положение руля зависит от требуемого угла увода, но вращающий момент, который должен применяться для получения такого положения, зависит от многих других факторов. Диаметр колеса, ширина шины, угол наклона и пятно сцепления с дорогой – лишь некоторые из влияющих параметров. На некоторых машинах возможно необходимо применять негативный вращающий момент для поддержания позитивного угла скольжения на требуемом уровне, геометрия может попытаться привести байк к более крутой линии, если будут работать его собственные устройства. Байк, установленный таким образом, имеет тенденцию к легкому сваливанию и может дать ощущение, что водителю нужно приподнимать его. В то же время другому типу машины может понадобиться позитивный вращающий момент для поддержания желаемого угла поворота, и такой байк будет ощущаться как требующий заваливания набок. Некоторые цифры могут помочь показать, как разные скорости и углы поворота влияют на угол наклона, а следовательно, на эффективный радиус поворота, и на силу увода при повороте. – При повороте с углом в 45° и скоростью 70 миль/ч радиус поворота будет равен 327 футам, а при половинной скорости, 35 миль/ч, радиус будет равен четверти предыдущего или 83 фута - но как было показано ранее радиус конуса будет всего 1,5 фута.

Можно видеть, что существует очень большая разница между радиусом поворота и эффективным радиусом конуса, крутой радиус конуса генерирует большую силу увода для поддержания имеющихся больших поворачивающих сил на уровне поворота в 45°. Теперь, если мы снизим скорость до 7 м/ч и будем выполнять тот же поворот, нам понадобиться наклониться только на 2.5°, при этом радиус конуса будет составлять вплоть до 25 футов для поворота с радиусом в 82 фута; наклон на 0.57° и радиус конуса в 100 футов подойдут для поворота с радиусом в 327 футов. Для таких случаев радиусы конуса намного больше и приблизительно составляют 1/3 радиуса поворота. Следовательно, сила увода значительно сокращается, одновременно с меньшими требованиями к скорости прохождения таких плавных поворотов.

Те из вас, кто в последние годы следил за техникой гонок, увидят изменение стилей вождения у действительно быстрых гонщиков, которые теперь довольно значительно выворачивают переднее колесо в сторону, противоположную повороту. Рис. 4 показывает экстремальный случай увода, как это случается в спидвее.

Сила движения в повороте создается двумя источниками:

  1. Боковой реакцией шин и углом скольжения, как описано выше.
  2. Составляющей силы тяги двигателя, которая действует в направлении центра поворота.

Сама эта сила тяги действует по линии заднего колеса, но так как оно находится на значительном угле к направлению движения, ее можно разложить на две составляющие. Одна из них действует в направлении движения и поддерживает скорость на повороте, а другая действует под прямым углом к первой и толкает байк к центру поворота, т.е. создает некоторую поворачивающую силу. Так как переднее колесо не ведущее, оно должно вкладывать свою долю поворачивающей силы более обычными средствами. Но так как это колесо поставлено более прямо, чем в случае отсутствия скольжения, боковая реакция шин уменьшается, и тем больше силы поворота должно создаваться от угла скольжения, тем больше колесо должно быть повернуто в направлении поворота, чем меньше скользит заднее колесо. По большей части усилие поворота создается двигателем, не удивительно, что положение дросселя имеет основное влияние на линию движения в повороте. Бесчисленное количество раз демонстрировалось в спидвее, что нарушение работы двигателя в середине поворота или неопытное уменьшение его оборотов приводит к немедленному близкому изучению ограждения периметра. Такое резкое снижение мощности двигателя приводи к равному по значению снижению поворачивающей силы, и байк становится жертвой эффекту центробежной силы. Требуемый угол наклона изменяется при изменении угла скольжения (угла скольжения заднего колеса), причину чего можно видеть на рис. 5 – опрокидывающая сила, действующая на байк, является составляющей поворачивающей силы, которая действует под прямым углом к линии машины.

Итак, чем больше угол скольжения, тем меньше тенденция опрокидывания, которую нужно компенсировать наклоном внутрь. Следовательно требуется меньший угол наклона, но эффект этого часто преувеличивают, что и продемонстрируют еще несколько цифр. Представим гонщика, поворачивающего с боковым ускорением в 1G, а также допустим, что заднее колесо на 1 фут выходит за линию переднего колеса наружу, и колесная база составляет 57 дюймов. Тогда угол скольжения будет 12°. Совсем без скольжения угол наклона совокупности байка и гонщика должен составлять 45°, но при скольжении под углом в 12° этот угол уменьшается до 44,4° - небольшая, но разница! Вернемся к стилям прохождения поворотов в спидвее, где более типичный угол скольжения может составлять, скажем, 50°. Тогда для того же случая в 1G угол наклона уменьшается до 33°. Так мы можем видеть, что для уменьшения угла наклона на значительную величину требуется больший угол увода переднего колеса, в действительности больше, чем обычно при гонках на твердом покрытии. Так в чем же выигрыш заноса? – Ну, любой гонщик знает, что максимальное сцепление при торможении достигается тогда, когда шина все еще немного вращается. В действительности производители шин говорят нам, что примерно 10-20% проскальзывания – почти оптимально на бетонном покрытии. Так что если имеется достаточная мощность, чтобы вызвать эту степень вращения, общая сила трения шины слегка увеличится и немного ее можно разложить в направлении центра поворота (если байк находится в положении заноса), таким образом увеличивая поворачивающую силу и скорость.

Экстремальный занос в спидвее необходим по несколько другим причинам. Рыхлая поверхность неспособна поддерживать большие поворачивающие силы посредством обычного механизма бокового сопротивления шин и угла скольжения, но значительная сила может вырабатываться от вращения заднего колеса. Часть ее генерируется обычными процессами трения, но дополнительный эффект вызывается хвостом глины, выбрасываемой назад. Шине приходится прилагать усилие для выброса этих частиц земли, и в соответствии с вышеупомянутым законом Ньютона, эти частицы должны толкать шину в обратном направлении. Это аналогично принципу ракеты, когда быстрое выбрасывание сжигаемого материала толкает ее вперед. Для выгодного использования этого ракетного эффекта в повороте необходимо. Чтобы байк был направлен в центр поворота, чтобы значительная составляющая этой силы использовалась как поворачивающее усилие.

РЕЗЮМЕ

Автомобиль получает свою поворачивающую силу посредством угла скольжения, т.е. водитель поворачивает колеса больше, чем в соответствии с линией поворота. Как если бы он хотел пройти более крутой поворот. С другой стороны, байк достигает этого за счет эффекты, известного как боковой увод шин, что является следствием наклона в повороте. Шина действует как часть конуса с старается пройти более крутой поворот, чем фактический. Центробежная сила спрямляет эту дугу к желаемой линии поворота, а относительно небольшие углы скольжения используются для исправления ошибок. Вышесказанное применяется при нормальных скоростях движения, при очень медленной скорости угол наклона мал, а подруливающие углы больше.

Есть определенная схожесть между механизмами рулевого управления байка и автомобиля, т.е. в обоих случаях необходимо создавать для каждого транспортного средства тенденцию прохождения более крутого поворота, чем желаемый радиус. Отличается именно метод генерирования этой тенденции. Занос – полезный способ использования излишка мощности двигателя для получения некоторой дополнительной поворачивающей силы, но на бетонном покрытии уменьшение угла наклона обычно не так велико. Увеличивающееся применение этой техники в гонках стало возможным благодаря значительным мощностным возможностям современных двигателей.

Разве физика не занимательна?

© Tony Foale via moto-construction.narod.ru

0 TrackBacks

Listed below are links to blogs that reference this entry: Противодействие наклону и работа шин.

TrackBack URL for this entry: http://blog.stiff.ru/mt/mt-tb.cgi/650

Комментировать

About this Entry

This page contains a single entry by St!ff published on September 11, 2013 11:00 AM.

Базовые принципы балансирования was the previous entry in this blog.

Эксперименты с геометрией рулевого управления is the next entry in this blog.

Find recent content on the main index or look in the archives to find all content.

Creative Commons License
This weblog is licensed under a Creative Commons License.
А тут могла бы быть реклама...