Сергей Сироткин: Анатомия машины Ф1: Шины
Формула 1 - технический вид спорта, где многое происходит за кадром. Но даже в тех случаях, когда элементы или системы машины видны невооруженным взглядом, понять принципы их работы без специальной подготовки порой непросто.
Мы попросили рассказать об этом резервного пилота Renault F1 и пилота программы SMP Racing Сергея Сироткина. В первых материалах Сергей рассказал об аэродинамике и подвеске машин Формулы 1. Теперь очередь дошла до шин...
Как мы уже говорили в одном из предыдущих материалов нашего проекта, именно шины связывают машину с трассой, обеспечивают нам так называемый «держак», о котором все говорят, и которого все пытаются добиться. Безусловно, сцепление шин с трассой одна из самых важных вещей, над которыми команды работают, готовясь к тому или иному Гран При.
Эффективность работы шин определяется двумя основными факторами: их максимальным уровнем сцепления на одном квалификационном круге, и их износостойкость на длинной дистанции. В чем-то эти задачи пересекаются, но в значительной степени они абсолютно противоположны, а значит, инженерам снова приходится искать компромисс. Давайте попробуем разобрать, в чем он состоит.
Максимальный уровень сцепления колеса достигается за счет:
- оптимального давления в шине;
- оптимальной нагрузки на шину, его загрузкой в повороте;
- оптимального пятна контакта шины;
- оптимальной температуры шины.
Давление воздуха в шине напрямую влияет на все остальные факторы. На настоящий момент в Формуле 1 команды не могут выбирать уровень давления самостоятельно - минимальный уровень регламентирован Pirelli, и при этом настолько высок, что все без исключения команды находятся именно на этой грани.
Например, для Гран При Малайзии минимальный уровень давления для всех команд ограничен 21,5 psi для передних колес, и 18,0 psi для задних. Psi - внесистемная единица измерения давления, которая расшифровывается как pound-force per square inch, «фунт-сила на квадратный дюйм». Она распространена в Великобритании, где и строится подавляющая часть машин Формулы 1, а в других странах используются другие единицы - паскали, бары и атмосферы. Так, 1 psi равен 6895 паскалям, а в одной атмосфере чуть меньше 15 psi. Так что, фактически, в шинах машин Формулы 1 давление всего лишь чуть больше одной атмосферы - гораздо меньше, чем обычно бывает в машинах.
Минимальный уровень давления определяется, прежде всего, из соображений безопасности. Более низкое давление могло бы обеспечить чуть большее пятно контакта, да и шины были бы гораздо менее чувствительны к перегреву. Кроме того, более низкое давление помогало бы бороться с излишней жесткость шасси. Но при этом на больших скоростях и при больших перегрузках деформация недостаточно накачанной шины увеличивается, что, безусловно, не лучшим образом сказывается на ее долговечности - увеличивается риск проколов, разрывов и так далее.
Что касается оптимальной загрузки шины в повороте, то неверно считать, что чем больше вертикальная нагрузка на колесо, тем лучше. Избыточная вертикальная нагрузка на колесо, наоборот, уменьшает уровень его сцепления с асфальтом. Когда я говорю о нагрузке на резину, я имею в виду сумму вертикальной и горизонтальной силы, которые передаются на шины через подвеску. Соответственно, чем жестче настроена подвеска (пружины, стабилизаторы, амортизаторы), тем быстрее эта энергия доходит до шины. С какого-то момента шины просто не успевают поглотить эту энергию и начинают скользить.
Если избыточная боковая нагрузка практически напрямую приводит к скольжению, то вертикальная (которая, кстати, тоже частично суммируется и с боковой) до определенного, очень высокого предела только добавляет сцепления, но когда вертикальное давление переходит этот порог, сцепление падает, и достаточно сильно. Как правило, более мягкие составы обеспечивают максимальное сцепление при более высоких нагрузках, чем более жесткие.
Оптимальное пятно контакта, как нетрудно догадаться, зависит от углов установки колес и, конечно же, давления в них. Здесь тоже приходится искать компромисс, потому что проще всего было бы увеличить пятно контакта за счет уменьшения давления, но это, во-первых, запрещено правилами, а во-вторых, могло бы привести к разнообразным негативным последствиям, о которых я уже рассказывал. Кроме того, как мы уже подробно говорили в материале про настройки подвески, пятно контакта должно быть оптимальным не на прямой, а в повороте.
Один из наиболее специфических параметров - Slip Angle, что переводится как угол скольжения, увода колеса. Попросту говоря, это разница между фактическим направлением движения шины и направлением, в котором повернуто колесо. Так как абсолютный уровень сцепления колеса с асфальтом недостижим, то Slip Angle есть всегда. Именно Slip Angle ответственен за появление избыточной и недостаточной поворачиваемости. Кстати, он также немного влияет и на пятно контакта.
Наконец, один из самых важных параметров, и единственный, прямо зависящий не только от инженеров, но и от действий гонщика - температура шины. Не секрет, что у любой шины (кстати, не только в Формулы 1 - вы можете почувствовать это и на обычной машине) есть оптимальное температурное «окно», то есть диапазон температур, в пределах которого резина работает наиболее эффективно. Причем, нужно разделять температуру верхнего слоя шины и температуру каркаса.
Когда пилоты перед стартом или перед своей квалификационной попыткой «прогревают» шины, они пытаются разогреть не только верхний слой, что относительно просто, но и каркас шины. Основной способ сделать это - интенсивные торможения и разгоны. Кроме того, они максимально нагружают боковины шины, плавно виляя из стороны в сторону, но при этом нужно стараться избегать проскальзывания колес. Скольжение приводит к перегреву верхнего слоя резины, что ухудшает сцепление, а не улучшает.
В свою очередь, износостойкость шин определяется целым рядом факторов, которые пересекаются или не пересекаются с теми параметрами, что влияют на эффективность резины. Ключевые параметры тут температура шины и ее верхнего слоя, давление, «пузырение» сзади и гранулирование спереди. Эти параметры в сумме и влияют на общий износ резины.
Давайте рассмотрим подход к работе с шинами по ходу уик-энда на практике. Опять же, давление мы не учитываем, так как у всех команд оно всегда соответствует минимально разрешенному Pirelli уровню. Во время квалификационного круга, чтобы извлечь из резины весь потенциал и добиться ее максимального сцепления с асфальтом, задача инженеров сделать так, чтобы шасси максимально нагружало (но не перегружало) колеса, перенося на резину ровно столько энергии, сколько требуется.
На гоночной дистанции задача инженеров найти оптимальный компромисс между стабильностью шины на протяжении многих кругов и ее уровнем сцепления. Это два противоположных подхода, ведь до определенного предела, чем больше машина передает энергии на колеса, тем больше сцепления мы получаем взамен. С другой стороны, чем больше мы недодадим энергии на шины, тем меньше будет износ и лучше термостойкость.
Примерно то же мы можем сказать и о параметрах сход/развал/кастер. В гонке темп машин падает, то есть зоны торможений и зоны разгона увеличиваются, а небольшое падение скорости в повороте играет меньшее значение, чем дополнительный выигрыш на торможениях и разгонах. В некоторых случаях это требует от инженеров быть чуть более консервативными в плане выбора сход/развала - но, опять же, тут многое зависит от трассы, температур и множества других параметров.
То же самое и с проскальзыванием (углом увода) колес. На трассах с абразивным покрытием угол скольжения сильно влияет на уровень износа шин. На современных, более гладких типах покрытия любые скольжения очень быстро приводят к перегреву верхнего слоя шины, что сильно ухудшает сцепные свойства резины. Как правило, мы можем видеть это при пробуксовках на выходе из одного поворота, что моментально приводит к нестабильности на входе в следующий поворот.
Таким образом, если в квалификации мы можем использовать достаточно агрессивный подход в работе с шиной, ведь нам просто нужно добиться ее максимальной эффективности на одном круге, то в гоночных условиях инженерам приходится искать компромисс, позволяющий оптимальным образом прогреть шины, а затем получать от них максимальный уровень отдачи при минимальном уровне износа.
Сергей Сироткин, специально для F1News.Ru.
