[Владимир Владимирович]

8. Колеса и шины
8.1. Трение между колесом и трассой
8.2. Угол бокового увода колеса
8.3. Тяговый круг
8.4. Недостаточная реакция автомобиля на поворот руля и избыточная поворачиваемость
8.5. Трение между шиной и трассой
8.1. Трение между колесом и трассой

Мы определяем движение колеса по поверхности как результат трения (сцепки колеса с дорогой). Эта сила трения являет собой то, что не дает колесу крутится и оставаться на месте, как бы проскальзывая. Чем больше сила трения, тем лучше сцепка с дорогой. Если мы рассмотрим то как высчитывается эта сила трения, то мы увидим, что она не зависит от толщины шины в месте контакта с трассой.
F = u * N

Где: F = сила трения;
u = коэффициент трения;
N = контактное давление;
Мы можем менять коэффициент трения путем замены одного типа шины на другой. Но не стоит забывать о том, что шины, которые являются очень "цепкими", не пригодны для гонок, т.к. изнашиваются слишком быстро.
8.2. Угол бокового увода колеса.

Шина, не подверженная боковой силе, будет катится по прямой линии в плоскости колеса. В момент поворота колеса появляется сила, перпендикулярная шине, которая вызывает отклонение, ограничивая устойчивость колеса. Шины не абсолютно твердые, они немного деформируются под этой нагрузкой и это задает колесам несколько другое направление.
Боковой прогиб (деформация) под силой воздействия (F) означает, что место контакта колеса с трассой (на левом рис. т. A) больше не в одной плоскостью с колесом. А это в свою очередь означает, что с целью повернуть по какому-то определенному радиусу, колеса должны быть повернуты немного больше, чем рассчитывалось. Разница между направлениями шины и колеса известна как угол бокового увода колеса (см. правый рис.). Линия AB - это линия вдоль которой движется шина, F - сила, вызывающая боковой прогиб, а угол a - это тот самый угол бокового увода.

С целью найти подлинный путь, который проделывает машина с повернутыми колесами, мы должны рассматривать оба угла: угол передних колес и угол бокового увода. Во время поворота, изменение бокового угла увода повлечет за собой изменение угла поворота всей машины. Также не стоит забывать, что задние колеса подвергаются тому же эффекту деформации, соответственно имея свой угол, что тоже требутся учитывать.

Мы можем резюмировать, что угол бокового увода зависит от следующего:

1. Боковая сила. Чем меньше сила, тем меньше угол бокового увода и наоборот;
2. Давление в шинах. Чем меньше давление, тем более шины будут гибкими. В F1 шины заполняются азотом с атмосферным давлением в 1.3-1.4;
3. Масса машины. Шины разрабатываются под определенную массу. Любые изменения повлекут увеличение угла бокового увода;
4. Развал колес.
8.3. Тяговый круг
Справа вы видите графическое изображение так называемого тягового круга. Здесь: r - мера сцепления шины с дорогой. Она может рассматриваться как два компонента: Fl и Fp. Если вектор сложения этих сил располагается внутри круга, то поворот будет выполнен нормально, в противном случае мы будем наблюдать скольжение машины по дороге.

В центе рисунка мы видем саму шину. Ось Y (здесь вертикальная линия) на графике описывает силы, воздействующие на шину во время торможения и ускорения. Ось X (здесь горизонтальная линия) описывает силу, действующую на шину при повороте.

Исходя из графика, запишем формулу:

Fl2+Fp2 = r2

Отсюда:

r = Ц(Fl2+Fp2)
8.4. Недостаточная реакция автомобиля на поворот руля (understeer) и избыточная поворачиваемость (oversteer)

Это как раз те самые две характеристики, на которые чаще всего и жалуются пилоты болидов. В случае, когда болид не справляется с углом поворота и вылетает на внешнюю сторону поворота трассы, мы наблюдаем недостаточную реакцию автомобиля на поворот руля. Если же на поворотах присутствует ощущение "потери" болида, то это избыточная поворачиваемость. Визуально это проявляется как большая устойчивость одного конца болида по отношению к другому, однако с физической точнки зрения это чуть сложнее.

Все дело в углах бокового увода колес и их отношений между передней и задней частью болида.

По существу, если передний угол бокового увода колес больше по значению, чем задний, то получается эффект недостаточной поворачиваемости. И наоборот, если задний угол бокового увода колес больше переднего, то получается эффект избыточной поворачиваемости.

Так, на первый взгляд может показаться, что максимальная характеристика поворачиваемости образуется в случае, если оба угла бокового увода передних и задних колес идентичны, но это не так. Хоть угол бокового увода и является главной величиной, воздействующей на сцепления колеса с дорогой, но существует еще и такое понятие как вес болида, приходящийся на шину. Давление на шину, которое оказывает болид своим весом не постоянно, увеличиваясь и уменьшаясь то в одной части, то в другой (в зависимости от проводимого маневра), так что оптимальные углы бокового увода тоже будут постоянно меняться в пропорциональной зависимости от веса.

8.5. Трение между шиной и трассой

Шины в F1 имеют очень длинную историю с неоднократными изменениями технологий и требований. Шина - самая "капризная" часть болида, за которой нужно постоянно следить. Все шины F1 на данный момент произодятся японской компанией Bridgestone. По правилам FIA, введенным еще в 1998 г. шина должна иметь 4 канавки для контроля скорости на поворотах. Bridgestone пока единственный поставщик шин, но было объявлено, что уже в 2001 г. будут так же использоваться шины компании Michelin

Трудно не заметить, что шины в гонках F1 играют одну из самых значительных ролей. В силу того, что их изготавливают из сверх мягкого каучука, шины быстро изнашиваются и требуют замены в процессе гонки(иногда даже и не один раз), но использование именно мягкого материала необходимо, т.к. в противном случае, шины будут ненадежными и не смогут выдерживать тех колосальных нагрузок, которые присуще гонкам F1. Самой главной характеристикой, однако, является температура. Диапазон температуры, в котором шины наиболее эффективно ведут себя, очень мал, где-то в пределах 90 и 110°С. Именно поэтому необходим прогревочный круг перед началом гонки. Так же температуру шин перед старотом поддерживают специальные прогревочные чехлы, давая возможность шинам не остывать ниже 80°С.
В таблице ниже указаны правила на канавки шин F1:

Все обычные (для сухой погоды) шины должны иметь 4 канавки;
Канавки должны иметь 14мм ширини, сужающуюся до 10мм и глубиной в 2.5мм;
Расстояние между самими канавками - 50мм.

Ниже приведена картинка, которая показывает само строение шин F1.

Многочисленные характеристики шин оговорены многочисленными правилами. В таблицах ниже вы найдете всю эту информацию:

Размеры шин:
+ Max. полная ширина переднего колеса: 355мм;
+ Max. полная ширина заднего колеса: 380мм (-1.0мм);
+ Max. полный диаметр колеса: 660мм (-0.4мм);
+ Min. полная ширина переднего колеса: 305мм;
+ Min. полная ширина заднего колеса: 365мм;
+ Диаметр бортового кольца: 330мм (+/- 2.5мм);
+ Max. ширина обода передней покрышки: 270мм;
+ Max. ширина обода задней покрышки: не оговорена.;
Технические характеристики:
+ Примерное давление: 20psi;
+ Blanket temperature: approx. 80 degrees C;
+ Max. срок службы: max. +/- 300 км. в завсимости от строения;
+ Применяемые материалы: сера, резина, карбон, хим. продукты и обшивка (покрытие);
+ Конструкция: Основной каркас, бортовое кольцо и протекторная резина;
Дождевая резина:
+ Пропрция канавок передних колес: более 25%;
+ Пропорция канавок задних колес: более 24%;
Это не полная информация по дождевой резине!
Установки обычной шины (для сухой погоды):
+ Каждая шина должна иметь канавки, по полной окружности, перпендикулярные оси колеса;
+ Кол-во канавок: 4;
+ Расстояние между канавками: 50мм (+/- 1.0мм);
+ Глубина каждой канавки: по крайней мере: 2.5мм;
+ Ширина каждой канавки: min. 14мм;

Кол-во шин за Weekend:
+ Шины для сух. погоды: 32 на один болид;
+ Дождевая резина: 28 на один болид;
Виды резины за GP:
+ Шины для сух. погоды: Max. два различных вида за Grand Prix;
+ Дождевая резина : Max. 3 различных вида за GP;

Размеры обычных (для сух. погоды) шин Bridgestone:
+ Нормальный размер передних шин: 265/55R13;
+ Диаметр передних: 655мм;
+ Ширина передних: 335мм;
+ Нормальный размер задних шин: 325/45R13;
+ Диаметр задних: 655мм;
+ Ширина задних: 375мм;
Размеры дождевой резины Bridgestone:
+ Нормальный размер передних шин: 245/55R13;
+ Диаметр передних: 655мм;
+ Ширина передних: 325мм;
+ Нормальный размер задних шин: 325/45R13;
+ Диаметр задних: 655мм;
+ Ширина задних: 375мм;

Как видно из таблицы, задние шины шире передних, это в первую очередь связано с действующим регламентом, а так же с тем, что это обеспечивает лучшее сцепление с трассой ведущих колес.