Праздник непослушания

«Автомобиль едет как по рельсам»… Сказано красиво – но тяга к ярким сравнениям может увести от темы дальше, чем боковой увод шин – от траектории, заданной рулем. Согласен: маневры локомотива – по крайней мере, без вмешательства партизан! – четко заданы стальными колесами и рельсами. Автомобиль же управляется поворотом колес, причем его шины эластичны. В зависимости от внутреннего давления, нагрузки, скорости движения, фактической траектории они деформируются – и это отражается на многих показателях. В первую очередь – на устойчивости и управляемости, так что едет он совсем не как по рельсам.
В этом нетрудно убедиться. На ровной асфальтированной площадке повернем руль до упора и развернемся на самой малой скорости. Отметим конечное положение одного из колес. Теперь повторим опыт на чуть большей скорости. Автомобиль пойдет по другой дуге! Но скорости так малы, что на сносы-заносы и намека нет, – отчего же траектории разные?
Дело в том, что под рабочей нагрузкой (вес плюс тяговый или тормозной момент) шина сильно деформируется – особенно вблизи зоны контакта с дорогой и в самом контакте.
Если плоскость вращения колеса наклонена к дороге, деформация шины несимметричная. Любопытно, что при этом она создает момент, стремящийся повернуть колесо в сторону наклона. Этот факт важен не только для мотоциклистов! На проселке с косогором автомобиль не должен по своему усмотрению сворачивать в гору – это грозит опрокидыванием. Исправный – либо нейтрален, либо постепенно отклоняется под гору.
А теперь вообразим другую ситуацию (рис.1): колесо вращается перпендикулярно к горизонтальной площадке и нагружено нормальной и боковой силами – N и F. Откуда взялась боковая? Например, сбоку дует ветер, – «парусом» служит машина, и только сцепные свойства шин удерживают ее на дороге. С другой стороны, на шину действуют реакции дороги Fр и Nр. Важно помнить, что величины F и Fр равны лишь до момента, пока шина не заскользит в сторону. Так, на льду Fр редко превышает 10% веса машины, – ветер посильней запросто утащит с дороги.
Боковая нагрузка деформирует шину хитро: вместе с диском колеса она вращается в одной плоскости, а фактически катится в другой – иногда угол между ними может достигать 4–5 градусов. Это и есть боковой увод. Выступы протектора – в зависимости от размеров, формы, наличия ламелей, степени износа, свойств материала – дополнительно деформируются. Большую роль играет давление воздуха внутри – при пониженном шина «заламывается» все сильней, – каждый это наблюдал при проколе.
Чем выше скорость на заданной траектории, больше нагрузка на шину, ниже давление в ней, тем больше, при прочих равных, боковой увод. Чем выше боковая жесткость брекера, тем увод меньше. Резина зимних шин мягче, шашки выше – в сравнении с летними увод больше. Увод радиальных шин меньше, чем диагональных. Увод новых больше, чем изношенных. Увод шин с металлокордным брекером меньше, чем с текстильным. Но все это общие положения. Если на машине стоят шины нужного типоразмера, но разных производителей, то и боковой увод может быть существенно разным, а это сказывается на поведении автомобиля.
Поведение автомобиля характеризует поворачиваемость – недостаточная, нейтральная или избыточная. Она, кстати, зависит не только от шин, но и от конструкции подвески, загрузки авто и т.п. Избыточная поворачиваемость для обычного автомобиля нежелательна: машина нервно реагирует даже на легкое движение руля, дополнительно тянет передок внутрь поворота. Иначе говоря, реакция на поворот руля избыточная – отсюда и принятая терминология. Такая машина траекторно неустойчива (хотя в автоспорте многие используют именно такую настройку шасси).
С недостаточной поворачиваемостью все наоборот: машина спокойно реагирует на поворот руля, она устойчива. Водитель легко дозирует кривизну траектории – для более резкого маневра нужно лишь довернуть руль.
При нейтральной поворачиваемости устойчивость и управляемость, можно считать, полностью согласованы. Но многим людям психологически ближе автомобиль с некоторым запасом устойчивости – он наиболее предсказуем, мелкие ошибки водителя исправляет как бы сам. При порывистом ветре или на неровной дороге нет необходимости лихорадочно «ловить» его рулем на заданном курсе, не позволяя выйти из подчинения. Порывы ветра автомобиль подергивают, однако он им сопротивляется.
Чаще всего с проблемами сталкивается тот, кто не следит за давлением в шинах. На некоторых авто, как правило, заднеприводных, оптимальным оказывается разное давление в передних и задних шинах (в задних – выше), его величины указаны в инструкциях. Яркий представитель породы – универсал ВАЗ-2104: нагрузка на задние шины большая – давление в них должно быть, как минимум, на 0,4–0,5 кгс/см2 больше, чем в передних. Если давление недостаточное, они сильно деформируются, а чрезмерный увод грозит заносом (рис. 2). Последнее особенно реально на скользких дорогах.
В этом варианте даже на прямой трассе положение автомобиля нестабильно, его то и дело приходится корректировать – если водитель не успевает, отклонения машины угрожающе нарастают. Дело в том, что всякий «вилёк» рулем означает движение колес по кривым траекториям, а ведь центробежные силы дополнительно «подламывают» шины, делая их увод еще больше – своеобразный заколдованный круг!
Для передне- и полноприводных авто обычно рекомендуют одинаковое давление во всех колесах. Чаще всего оно близко к 2–2,2 кгс/см2. Но в любом случае хозяину стоит хотя бы раз заглянуть в инструкцию! Но если таковой нет, «опыты» по подбору оптимального давления не стоит начинать с низкого в задних колесах. Помните это!
К шине приложены штатная нагрузка N и боковая сила F. Ответные реакции дороги – Np и Fp. ПК – плоскость качения колеса, ПВ – плоскость его вращения. Возьмем некий элемент 1 на середине протектора. Чем ближе к контакту, тем сильней шина деформируется – элемент займет положение 2. Войдя в контакт с покрытием, переместится в положение 3, затем 4 – касательные напряжения шины достигли максимума по условиям сцепления. Шашки протектора срываются в скольжение – и шина быстро восстанавливает свою форму. Перед выходом из контакта напряжения продолжают падать, в точке 5 элемент выходит из контакта и в точке 6 возвращается на срединную плоскость колеса. Вот так «частичка» шины отработала один цикл нагрузки и разгрузки, вернувшись к исходной форме. Но ее траектория на участке 1 – 4 показывает направление реального движения всей шины: как бы «переступая» элементами протектора, она за каждый оборот немного скатывается в сторону.
Если увод колес задней оси больше, чем передней, а водитель немедленно не вмешается, кузов в повороте начинает разворачиваться задком наружу (фазы 1 и 2). Это особенно характерно для заднеприводной машины, если водитель в самом начале «коллизии» не сбросит газ. Машина как бы ввинчивается в поворот – у нее избыточная поворачиваемость. Когда углы «набегания» покрытия на протектор превысят предельные по условиям сцепления – скольжение неизбежно. Центр массы ЦМ машины все дальше от первоначальной траектории ПТ. В фазе 3 водитель все же вывернул руль вправо, пытаясь избежать заноса, но – поздно: боковое скольжение задних колес сразу не остановишь! Сделать это тем сложнее, чем слабее сцепление шин с покрытием и чем дольше водитель «зевал», дав машине накопить лишнюю угловую скорость вращения ω вокруг вертикальной оси. Начинают скользить и передние колеса. На льду машина может совершить по инерции не один оборот – фазы 4, 5 и т.д.
Чтобы избежать неприятных последствий увода, следите за давлением в шинах!