Траектория задних колес авто при повороте
Почему колеса при повороте руля поворачиваются на разный угол?
Если повернуть руль до упора, выйти из машины и посмотреть на нее спереди, можно заметить, что колеса повернуты под разными углами: одно вывернуто сильнее, чем другое. Но это не неисправность, а наоборот, точный инженерный расчет, который в этом году празднует свой юбилей – ему исполняется ровно 200 лет. Почему рулевое управление так спроектировано, и почему нельзя было бы сделать иначе?
О твет на этот вопрос лежит на поверхности: представьте себе, что автомобиль движется по кругу по часовой стрелке – в этом случае окружность, по которой будет двигаться переднее правое колесо, будет меньше, чем окружность, описываемая левым. Соответственно, при постоянной скорости автомобиля колеса на одной оси будут вращаться с разной скоростью. Если бы колеса были повернуты на одинаковый угол, то внутреннее колесо, стремясь двигаться так же, как наружное, постоянно проскальзывало бы и вызывало проскальзывание наружного – при этом поведение автомобиля в повороте было бы непредсказуемым, а износ шин – катастрофическим. Наглядно это можно видеть на многоосных тележках грузовиков и прицепов: не поворачивающиеся колеса в повороте движутся с проскальзыванием, и шины изнашиваются быстро и неравномерно. Соответственно, для решения этих проблем и обеспечения правильного движения управляемых колес по их траектории они и поворачиваются на разные углы.
Сама проблема проскальзывания внутреннего колеса в повороте была актуальна задолго до массового распространения автомобилей – ведь те же проблемы были и у конных повозок. Собственно, именно на конной повозке рулевое управление, решающее эту проблему, и дебютировало: в 1817 году его изобрел Георг Ланкеншпергер, а в 1918 году запатентовал в Англии его агент Рудольф Аккерман. С тех пор принцип поворота управляющих колес на разные углы в повороте так и называется – принцип Аккермана.
Чтобы обеспечить нужные углы поворота колес, геометрия рулевой трапеции рассчитывается по единой условной схеме. В ней поперечная рулевая тяга короче управляющей оси и смещена за нее, а поворотные рулевые рычаги лежат на линии между осью поворота передних колес и центром задней оси автомобиля. Для того, чтобы проще было понять это сложное на первый взгляд объяснение, достаточно взглянуть на простую схему ниже.
Соответственно, при повороте колес в такой схеме они оказываются повернуты на разные углы – внутреннее поворачивается больше, а наружное меньше. При этом центры окружностей, по которым движутся колеса, совпадают, а радиус окружности для наружного колеса — это фактически радиус разворота автомобиля «от бордюра до бордюра» с поправкой на ширину шины.
Стоит отметить, что изображение выше – схематическое, и рулевое управление автомобиля, разумеется, сложнее, чем то, что изображено на схеме. Однако общая геометрия справедлива для всех «гражданских» автомобилей.
В автоспорте подход может меняться: к примеру, на некоторых гоночных автомобилях ситуация с углами поворота колес может быть даже обратной для компенсации бокового увода колеса в скоростных поворотах, а в дрифте передние колеса стараются сделать параллельными даже в поворотах, чтобы снизить износ передних шин при постоянном движении в управляемом заносе. Но это – крайности, не актуальные для обычных серийных машин.
Кстати, в самом начале мы не зря упомянули не только разные пути, которые проходят в повороте колеса, но и разные скорости их вращения. Для того, чтобы обеспечить возможность вращения колес на одной оси с разными скоростями, как мы уже рассказывали, нужен дифференциал.
Ayrton Senna: Principles of Race Driving. Глава 2 — Траектория в поворотах
В этой главе идет рассказ о принципах, по которым гонщик выбирает траекторию в повороте, и даются примеры применения этих принципов к поворотам разных конфигураций и их связкам.
Глава 2. Траектория в поворотах
Трассы, на которых происходят сражения Формулы 1, состоят из серий поворотов, разделенных прямыми отрезками различной длины. Стремясь пройти круг за минимально возможное время, гонщик должен прежде всего обратить внимание на то, как он проходит повороты — каждая ошибка в повороте приводит к потере времени на круге.
Траектория — это воображаемая линия, вдоль которой движется автомобиль. Чем больше радиус траектории (другими словами, чем больше она спрямлена), тем меньше потеря в скорости при преодолении поворота. Значит, для каждого поворота важно найти соответствующую идеальную траекторию. Она всегда одна и позволяет «скруглить» поворот. Например, вместо того, чтобы преодолевать 90-градусный поворот вдоль его границы, можно срезать его и таким образом обеспечить больший радиус траектории, а значит и большую скорость на выходе. В этом примере мы сразу знакомимся еще с одним фундаментальным принципом: нужно испотльзовать всю ширину трассы. И даже немного больше, если говорить о шпильках и особенно о шиканах. Еще раз: срезать поворот означает найти траекторию с максимально возможным радиусом (он будет больше, чем реальный радиус обсуждаемого поворота).
На траектории в повороте есть три важные точки. Во-первых, это точка входа в поворот (другими словами, начало поворота, или конец прямого участка). Во-вторых, это апекс поворота, в котором автомобиль касается внутреннего поребрика; в этой точке скорость машины минимальна. В-третьих, это выход из поворота: здесь автомобиль снова возвращается к прямолинейному движению — или переходит к следующему повороту. В последнем случае, очевидно, выход из поворота перекрывается со входом в последующий.
Резюмируя, можно сказать что при прохождении поворота нужно сначала переместиться к внешнему краю трассы, затем (в повороте) к внутреннему, и, наконец, на выходе — снова к внешнему. При этом нужно использовать всю ширину трассы и, возможно, даже наезжать на поребрик. В современной Формуле 1 наезда на поребрики стоит избегать: сейчас машины практически «облизывают» полотно трассы, чтобы максимизировать граунд-эффект. Искры, которые автомобили оставляют за собой вслед, можно заметить чаще чем несколько лет назад. Сейчас контакт машины с дорогой обеспечивают не только шины, но и нижняя поверхность болида, а наезд на поребрик может кроме того привести к механическому повреждению. Такой риск редко бывает оправдан.
Идеальная траектория в 90-градусном повороте представляет собой в теории кривую с максимально возможным радиусом, и эта кривая соединяет три базовые точки поворота с одинаковым и неизменным радиусом.
Проходя поворот по этой траектории, нужно различать фазы поворота, соответствующие упоминавшимся базовым точкам. Это очень важное разграничение, которое позволит приступить к более глубокому анализу машины и пилотажа. Таким путем находятся и последовательно устраняются недочеты.
Траектория с постоянным радиусом — не всегда самое эффективное решение. Она, безусловно, подходит для быстрых поворотов, когда на выходе машина не может эффективно ускоряться (скорость и так высокая). Однако, если речь идет о медленном или среднескоростном повороте, особенно в том случае когда после него следует длинная прямая, траекторию нужно изменить с тем, чтобы позволить автомобилю разгоняться раньше. Апекс тогда не будет совпадать с геометрическим центром поворота, а будет сдвинут по траектории вперед. Фаза собственно поворота, таким образом, переместится вперед по сравнению с траекториией постоянного радиуса; это позволит раньше нажать на газ.
Торможение в этом случае будет позже, на фазе входа в поворот радиус траектории будет меньше, а фаза выхода — разгон — будет иметь переменный радиус и будет длиннее, чем в случае с траекторией постоянного радиуса. Наибольшее преимущество траектория с поздним апексом дает в шпильках: время, потерянное в первых двух фазах поворота, значительно меньше чем выйгрыш от более раннего разгона (отсюда появилось старое клише «чтобы выйти быстрее, нужно войти медленнее»). Сдвиг реального апекса относительно геометрического (относительно центра поворота) зависит от радиуса поворота. В шпильке он составит около 10% длины внутреннего поребрика, а вболее длинном повороте до 20—25%.
Все вышесказанное остается верным и для серий поворотов (например, для шикан; это могут быть любые два близких поворота, не разделенные прямой и зависящие друг от друга). Появляется, однако, новое правило: приоритет имеет последний поворот из серии. Поскольку выигрыш по времени связан со скоростью выхода из поворота и с длиной последующей прямой, мы должны жертвовать первым поворотом ради последнего. Например, в случае с шиканой, после которой идет длинная прямая (примером может служить первая шикана в Монце), необходимо пожертвовать выходом из первого поворота шиканы для того, чтобы подготовить вход во второй. Мы теряем какое-то время в этот момент; обгонять там все равно нельзя, зато скорость выхода из второго поворота будет выше, а это важнее всего.
В обратной ситуации, когда серии поворотов предшествует длинная прямая, жертвовать первым поворотом нельзя — из-за большой скорости на прямой потеря времени из-за этого будет слишком велика. Нужно тормозить как можно позднее и входить в первый поворот по траектории с максимальным взможным радиусом (т.е. не сдвигая апекс вперед).
Перевод сделан при поддержке Fame Group
© Ayrton Senna, 1991
© Hazleton Publishing, 1993
Управление автомобилем. Часть 7. Выполнение поворота
Последнее обновление: 22.07.2021
12 комментариев
Основы управления автомобилем
После движения «прямо», следующий элемент из основ управления автомобилем — это выполнение поворота, если точнее, техника выполнения поворота автомобиля.
Под поворотом подразумевается любое сознательное изменение направления движения от первоначального (в т.ч. от прямолинейного). Другими словами, поворот автомобиля — это действие, осуществляемое сознательно с помощью рулевого колеса.
Рекомендую повторить статью Управление автомобилем. Часть 2. Руление, и ознакомиться с материалом статьи Как автомобиль поворачивает.
После того, как будет освоена техника трогаться с места и вы поедете, самым трудным, сначала, будет удержание автомобиля на прямой. На реальной дороге – это движение по полосе, между линиями дорожной разметки таким образом, чтобы не наезжать на эту разметку.
Этим навыком поможет овладеть материал статьи Как научиться ездить ровно, и конечно же практика вождения.
Но прямолинейное движение – это только полдела. Еще предстоит научиться правильно поворачивать автомобиль в движении. Правильно – это значит быстро, технично и безопасно.
Перед тем, как выезжать на реальную дорогу, есть смысл освоить технику поворотов на специализированной площадке (на автодроме, на территории автошколы).
Выполнение абсолютно любого поворота можно условно разделить на четыре этапа:
Далее опять следует прямолинейное, либо относительно прямолинейное движение, либо следующий поворот, который также включает в себя приведенные выше четыре этапа.
Чтобы выполнить эти четыре пункта технично и безопасно нужно согласовать в одно целое скорость автомобиля, режим работы двигателя и траекторию движения автомобиля. Теперь о каждом из этих элементов поподробнее.
Скорость автомобиля в повороте
На дорогах общего пользования, изобилующих пересечениями, разветвлениями, закруглениями разной величины, скорость перемещения диктуется правилами дорожного движения и другими обстоятельствами, такими как крутизна поворота, состояние дорожного полотна, наличие других ТС, пешеходов и пр.
Поворот на перекрестке, движение по кругу, поворот (съезд) на прилегающую территорию, движение по дорожной развязке, движение по любому закруглению дороги — все перечисленное представляет собой разные варианты поворотов с постоянно изменяющимися условиями движения.
Поэтому, невозможно однозначно ответить на вопрос, с какой скоростью нужно ехать по дуге поворота, чтобы проехать поворот безопасно. В этом смысле пришлось бы рассмотреть каждый участок в отдельности.
Для таких ситуаций есть одно общее правило, применимое к абсолютно любым поворотам: Перед поворотом необходимо замедлить автомобиль (снизить скорость), а по дуге поворота нужно ехать с постоянной скоростью. Для чего все это нужно?
Замедлить автомобиль в процессе поворота не всегда удается быстро и безопасно. К тому же, на дуге поворота сцепление у каждого из колес автомобиля с дорожным покрытием не одинаковое (это обусловлено устройством подвески автомобиля).
Разность сцепления колес с дорогой может быть компенсирована вспомогательными системами (ABS, ESP), но это всего-лишь системы-помощники в умелых руках. Надеяться нужно на себя.
Скользко на дороге может быть не только зимой, но и летом (песок на асфальте, сухая грязь, первые капли дождя и пр.). Если затормозить на скользком участке поворота, и колеса заскользят, то может закончиться тем, что транспортное средство «уйдет» с маршрута.
По этим причинам необходимо снижать скорость еще на приближении к повороту, на относительно прямом участке, а дугу поворота нужно пройти с постоянной скоростью.
Оптимальная траектория поворота автомобиля
Другим важным условием безопасности выполнения поворота является движение автомобиля по оптимальной траектории поворота.
Оптимальная (с точки зрения вашей безопасности) траектория прохождения поворота это такая, когда она выполняется в пределах полосы движения без лишних манипуляций рулевым колесом.
Другими словами, поворачиваете руль один раз на входе в поворот, проходите дугу поворота и возвращаете руль в прямолинейное движение на выходе. На первый взгляд, это может показаться сложным, но к этому нужно стремиться.
Поворот руля нужно рассчитать так, чтобы не «выскочить» на встречную полосу, и чтобы не пришлось позднее доворачивать руль на нужную траекторию движения. Такое умение приходит не сразу, придется тренироваться.
Почему на дуге поворота очень нежелательно доворачивать руль? Ведь, так или иначе, делать это придется в процессе тренировок, и, глядя на других автомобилистов, нельзя сказать, что все рулят идеально. Возникает вопрос: зачем к этому стремиться?!
В статье Как автомобиль поворачивает описана, так сказать, физика поворота автомобиля с учетом сил, действующих на автомобиль в повороте.
Автомобиль опирается на дорогу своими колесами. В местах соприкосновения колеса с дорогой образуется так называемое пятно контакта. Этих «пятен» всего четыре, именно эти «пятна» обеспечивают сцепление колес с дорожным полотном.
В любых дорожных условиях, в любое время года автомобиль остается управляемым (он «слушается» руля), когда есть сцепление его колес с дорожным покрытием. В таком случае говорят, что колеса автомобиля катятся, цепляясь за дорогу.
Соответственно, когда сцепление управляющих колес с дорогой пропадает (например, на льду), то автомобиль перестает «слушаться» руля, и теряет управление. В таком состоянии вы можете сколь угодно крутить руль, но автомобиль будет продолжать двигаться по инерции в одну сторону.
В процессе движения (даже кратковременного набора или снижения скорости, поворотов с учетом неровностей дороги) непрерывно происходит перераспределение веса автомобиля, это отражается на качестве сцепления управляющих колес дорогой.
Так вот, на дуге поворота, вероятность срыва колес в скольжение намного выше, чем на прямой дороге, тем более, если поворот дороги располагается под уклон. Срыв колес в скольжение может быть вызван грубым доворотом руля.
В такой момент решающим фактором остается скорость движения на повороте. Чем скорость автомобиля выше, тем больше вероятность срыва колес в скольжение. На скользком покрытии (песок, глина, снег, лед) эта вероятность усиливается многократно.
По этим причинам снизить скорость автомобиля необходимо еще ДО входа в поворот, а дугу поворота лучше всего проехать на постоянной скорости с ровной тягой.
Рулить по оптимальной траектории поворота целесообразно учиться в относительно теплое время. Чем плавнее вы будете рулить, тем «ровнее» будет ваше движение.
Радиус поворота автомобиля
Безопасными вариантами выполнения поворота считаются траектории с постоянным радиусом и максимальным радиусом поворота автомобиля в отведенных ПДД границах движения.
Эти две траектории поворота похожи: в первом случае автомобиль едет по осевой линии своей полосы движения, а во втором случае для маневра используется вся ширина полосы.
Траектория поворота с увеличенным радиусом считается самой безопасной, и в то же время самой «быстрой», но, с одной стороны, требует наиболее точного расчета, а с другой — хорошего состояния дорожного покрытия.
Попадание колеса в яму на дороге, либо встреча с другой неровностью, вызывает далеко неприятные ощущения, более того, может серьезно повредить автомобиль. Важно своевременно увидеть эту самую неровность.
Если поворот дороги, либо ее участок, на котором выполняется поворот, просматривается плохо, и вы не можете определить состояние дорожного покрытия, то целесообразно всегда снижать скорость.
О том, как безболезненно для подвески автомобиля объехать неровность дороги на ее повороте — ниже по тексту.
А вообще, пока не наберетесь опыта, целесообразно использовать траекторию поворота с постоянным радиусом, проходящую примерно посередине полосы движения. Скорость необходимо снизить ДО вхождения в поворот.
Как проезжать неровности на повороте
О том, как проехать через какой-либо дорожный изъян на «прямом» участке дороги, и почему нужно поступать именно так, описано в статье Как проезжать дорожные неровности.
Если коротко, смысл сводится к тому, что тормозить следует ДО неровности, а непосредственно перед ней необходимо отпустить тормоз, и проехать через неровность как обычно, на малом «газу».
Но это, если ехать «прямо». А как же проехать неровность на повороте дороги? Ведь, в поворотах силы действуют на подвеску несколько по-другому, чем на прямом участке. Описание этому есть в статьях Как автомобиль поворачивает и Как научиться ездить ровно.
В этом деле, главное — не спешить. Следующий совет поможет проехать дорожную неровность в повороте почти «безболезненно» для подвески автомобиля.
У автомобиля, как известно, две пары колес. Когда авто поворачивает, то два колеса одного борта «едут» с внешней стороны поворота (внешнее переднее и заднее колесо), а два других — с внутренней стороны поворота (внутреннее переднее и заднее колесо).
На дорожных неровностях чаще всего страдает переднее внешнее колесо, как самое нагруженное из всех остальных. Поэтому внешнее колесо ударяется о неровность намного сильнее, чем внутреннее переднее колесо.
По этой причине, увидев неровность в повороте на пути внешнего переднего колеса, нужно постараться ее плавно объехать, если есть такая возможность, либо проехать по ней внутренним (разгруженным) передним колесом.
Если объехать возможности нет, то желательно спрямить траекторию поворота (повернуть руль в положение «прямо»), и переехать неровность на «прямых» колесах, после чего вновь повернуть руль, и продолжить движение по дуге поворота.
Необходимо стараться строить траекторию поворота машины так, чтобы неровность дороги попадала только под внутреннее (разгруженное) переднее колесо. В этом случае можно будет проехать неровность по дуге поворота, не меняя траектории.
Куда смотреть во время выполнения поворота
Теперь другой вопрос — куда смотреть в процессе выполнения поворота?
Во время движения автомобиля взгляд нужно фокусировать на том участке, или в той точке дороги, где вы хотите оказаться.
Во время выполнения поворота автомобиля нужно смотреть на точку выхода (если поворот полностью просматривается). В тот момент, когда вы поворачиваете руль (это происходит на точке входа в поворот), глаза уже должны смотреть туда, где вы будете поворачивать руль обратно.
Взгляд должен скользить по дороге вместе с машиной, но на некотором расстоянии впереди ее. Если вы не видите точку выхода (поворот не просматривается), например, могут мешать деревья, строения, изменение плоскости дороги, то целесообразно будет плавно сбавить скорость, желательно еще до точки входа в поворот.
Чего нельзя делать в движении на повороте
Во-первых, во время движения автомобиля на дуге повороте нельзя вращать руль рывками. Резкое вращение руля на дуге поворота может привести к скольжению колес с последующей потерей контроля движения, как изложено выше по тексту.
Во-вторых, во время выполнения поворота нельзя ощутимо тормозить, т.е. нажимать педаль тормоза. Допустимо лишь очень легкое подтормаживание. Торможение на скользкой дороге очень легко может заблокировать колеса, и машина станет неуправляемой.
В-третьих, при движении на дуге поворота очень нежелательно переключать передачи (касается автомобилей с механической КПП). Неаккуратный переход на другую передачу в момент включения сцепления может вызвать рывок машины. На сухой дороге ничего не произойдет, а на скользкой дороге рывок может привести к скольжению колес.
Ну и последнее. Категорически не рекомендуется проходить поворот накатом, т.е. либо с выключенным сцеплением, либо на выключенной (нейтральной) передаче. Ведущие колеса должны все время быть под тягой на ровном газу.
Объединив все эти правила в одно целое, можно составить примерную тактику прохождения поворота.
Разумеется, каждый поворот индивидуален и, к тому же, может быть осложнен дорожной обстановкой. Поэтому предложенный вариант является лишь общей схемой прохождения поворота.
Почему запрещается отпускать руль на выходе их поворота. Понятно, что запретить это никто не может, но делать этого крайне не рекомендуется. Потому что в таком случае вы можете потерять собственный контроль над управлением.
На выходе из поворота передние колеса стремятся вернуться в положение «прямо». Создается ощущение, что если отпустить руль, то автомобиль быстрее выравняется на дороге. Это действительно так, но дорога имеет неровности (ямка, кочка, колея и пр.), которые естественным образом влияют на бесконтрольное качение колес.
Если отпустить руль, то, мягко говоря, автомобиль с легкостью может поехать «не туда». А пока вы будете «ловить» руль, то успеете с кем-нибудь столкнуться.
Когда вы держите руль, вы на уровне ощущения понимаете куда едет автомобиль, как повернуты передние колеса, и всегда готовы, при необходимости, подправить направление движения. Собственно, это и происходит, когда вы рулите, т.е. держите руль.
Потери управления автомобилем даже на короткое время может быть вполне достаточно для ДТП. Поэтому, отпускать рулевое колесо крайне не рекомендуется.
Что касается обширной темы поворотов на перекрестках, она рассмотрена в разделе «Вождение автомобиля» и в сериях статей «Проезд перекрестков» и «Проезд перекрестков-2».
Но перед тем как приступить к изучению выполнения поворотов на перекрестке, есть смысл ознакомиться с физикой поворота, она дана в статье Как автомобиль поворачивает, и с термином динамические габариты автомобиля.
Будьте внимательны за рулем.
Автор: Сергей Довженко
Последняя редакция: 22.07.2021
Если есть желание поделиться прочитанным, ниже кнопки на выбор. Жмем, не стесняемся.