Колеса для внедорожных автомоделей

Автомодель - Настройка и управление

Введение в динамику автомодели

 

Авторы статьи:	Bruno Heremans / RC Car Handling /,
	Владислав Ярополов,
	Кирилл Киселев.

 

Содержание

 

Предисловие ………………………………………………………………………………………………………………………………………………..3

Глава 1. Колеса …………………………………………………………………………………………………………………………………………..4

1.1 Колеса для шоссейных автомоделей

1.1.1 Трение
1.1.2 Круг силы сцепления
1.1.3 Углы бокового увода

1.2 Колеса для внедорожных автомоделей

1.2.1 Рисунок протектора
1.2.2 Состав резины
1.2.3 Форма каркаса шины
1.2.4 Размер колесного диска
1.2.5 Вставки

Глава 2. Подвеска ………………………………………………………………………………………………………………………………………15

2.1 Пружины
2.2 Амортизаторы
2.3 Центр крена (Roll center)
2.4 Анти-скват
2.5 Дорожный просвет (Клиренс)
2.6 Ход подвески
2.7 Стабилизаторы поперечной устойчивости
2.8 Точки крепления амортизаторов

Глава 3. Регулировки ………………………………………………………………………………………………………………………………..27

3.1 Развал
3.2 Кастер
3.3 Угол схождения
3.4 Эффект Аккермана

Глава 4. Перенос веса ……………………………………………………………………………………………………………………………….33

4.1 Поперечный перенос веса
4.2 Продольный перенос веса

Глава 5. Передаточное отношение ………………………………………………………………………………………………………..36

5.1 Основные компоненты
5.2 Шаг или модуль зубчатого зацепления (pitch)
5.3 Зачем нам нужно передаточное отношение?
5.4 Передаточное отношение
5.5 Оптимальное передаточное отношение
5.6 Эффекты передаточного отношения
5.7 Выделение тепла и время запуска

Глава 6. Распределение веса и мощности ………………………………………………………………………………………….38

6.1 Распределение веса
6.2 Распределение мощности и дифференциалы

6.2.1 Шариковые дифференциалы
6.2.2 Односторонние шкивы (One-way pulleys)
6.2.3 Односторонний передний дифференциал
6.2.4 Дифференциалы "Торсен"
6.2.5 Шестеренчатые дифференциалы
6.2.5 Неразрезные мосты (Solid axle, Spool)
6.2.6 Вязкостные муфты

Глава 7. Аэродинамика ……………………………………………………………………………………………………………………………45

7.1 Сопротивление
7.2 Прижимная сила

7.2.1 Создание прижимной силы
7.2.2 Центр давления (CP)
7.2.3 Распределение давления
7.2.4 Эффект влияния земли (граунд-эффект)

7.2.4.1 Диффузор
7.2.4.2 Рассекатель
7.2.4.3 Использование эффекта Вентури

7.2.5 Срыв потока
7.2.6 Щитки Гурней (Gurney Flaps)
7.2.7 Аэродинамический профиль в сравнении с плоской пластиной

7.3 Практический материал

Глава 8. Баланс ………………………………………………………………………………………………………………………….……………..65

Глава 9. Выполнение регулировок ……………………………………………………………………………………………………..66

9.1 Перед выполнением любых регулировок

9.1.1 Неодинаковый размер колес
9.1.2 Баланс по осям (Tweak)
9.1.3 Избыточное трение

9.2 Выполнение регулировок

Глава 10. Вождение ………………………………………………………………………………………………………………………………….68

10.1.Основы
10.2.Продвинутые приемы
10.3 Прыжки
10.4 Обгон

 

Предисловие

 

Bruno Heremans: Мне кажется, что очень немногие по-настоящему понимают настройки автомодели и точно знают действие каждой регулировки, большинство действует интуитивно. Цель этой статьи состоит в том, чтобы предоставить некоторое понимание элементарной динамики автомодели для каждого, кто этим интересуется. В попытке создать как можно меньше путаницы, области возможных регулировок перечислены как отдельные главы, отсортированные в порядке важности. В начале каждой главы есть некоторая общая информация об элементе и точное объяснение того, что он действительно делает, затем следуют некоторые советы о том, как и когда данный элемент регулировать. Ближе к концу статьи есть несколько глав, которые объединяют всю информацию, уделяя основное внимание общему балансу автомодели.

Владислав Ярополов: Два фактора играют главную роль в ваших шансах на победу - ваши навыки вождения и ваша способность правильно настраивать автомодель. Данная работа в основном посвящена второму слагаемому успеха - мастерству настройки автомоделей. Мы постараемся помочь как начинающим, так и опытным пилотам, лучше понять поведение автомоделей на трассе и дать им в руки инструмент, позволяющий сознательно корректировать поведение автомодели в зависимости от условий трассы. Предлагаем вам ознакомиться с материалом основанном на статье Bruno Heremans, одной из наиболее исчерпывающих работ, посвященных настройкам автомоделей, и свободно доступной в сети. Весьма признателен Кириллу Киселёву за неоценимую помощь в совместной работе над этим материалом.

Кирилл Киселёв (Turbokisa): Одна голова хорошо, а две лучше. Цель у нас только одна: создать самое полное на данный момент руководство в сети по настройке и пилотированию автомодели. Естественно, на русском языке. Мы хотим рассказать не только о том, как влияет та или иная настройка на поведение шасси, но и почему. Всё будет рассмотрено в подробностях. Сама статья основана на творении парня по имени Bruno Heremans. Он уже давно и достаточно подробно описал практически все аспекты настройки у себя на сайте. Его материал вы можете также увидеть на сайте Team Orion. Перевод с английского на 90% осуществил Владислав Ярополов. За это ему огромное спасибо. Просто рутинная работа. Мы всё же решили дополнить этот перевод своими материалами, благо Бруно оставил без внимания достаточное количество важных моментов. Надеюсь, наша работа поможет вам в настройке модели, и даст отличный спортивный результат.

 

Примечание: Работа над статьей продолжается. Следите за изменениями.

 

Дата предыдущего изменения: 05.08.2006 г (Глава 5: Передаточное отношение).

Дата последнего изменения: 08.08.2006 г (Глава 7: Аэродинамика, раздел 7.2.4 Эффект влияния земли (граунд-эффект)).

 

 

Глава 1: Колеса

Колеса являются наиболее важным элементом в поиске хорошей управляемости автомодели. Вы можете получить значительное улучшение, установив шины с лучшим сцеплением на данной трассе. Они являются единственной связью между автомоделью и землей. Эта связь зависит исключительно от трения с поверхностью и пятна контакта шины, поэтому давайте рассмотрим, как работает трение.

 

Колеса для шоссейных автомоделей

Трение

Формула для силы трения между двумя поверхностями: боковая нагрузка = v * вес. Где v - это коэффициент трения.

Для резиновой шины v не является строго постоянным, он изменяется в зависимости от температуры, давления и, что более важно, величины скольжения. Это изображено на следующем графике.

 

По горизонтальной оси отсчитывается величина скольжения, от 0% (нет скольжения, колесо просто катится вперед) до 100% (колесо остается неподвижным, а автомобиль перемещается, или автомобиль остается неподвижным, но колесо движется). По вертикальной оси отсчитывается коэффициент трения. В левой части графика преобладает скольжение шины, это также известно, как изгиб шины. Это происходит, когда шина деформируется под нагрузкой и пятно контакта перемещается относительно оси. Это также приводит к существованию углов бокового увода. В правой части графика, преобладает скольжение между двумя поверхностями, шина начинает немного скользить в сторону. Заметно, что v достигает своего максимума, когда есть небольшое скольжение, обычно между 5% и 15%. Это происходит потому, что резина взаимодействует с поверхностью весьма необычным способом.

Фактически, причиной, из-за которой график имеет такую странную форму, является комбинация нескольких факторов, сюда вовлечены два независимых процесса: адгезия и гистерезис.

Первый компонент, адгезия, является проявлением того, что самые крайние атомы молекул резины находятся в прямом контакте с внешними молекулами поверхности. Резина является полимером, и ее молекулярная структура напоминает "спагетти" из цепочек атомов. Поверхность по большей части является кристаллической, и в ней атомы более тесно связаны друг с другом. Поэтому, когда существует различие в скорости между двумя цепочками атомов, "атомные цепочки" в резине будут растягиваться. Некоторые молекулярные связи будут разрушаться, и будут образовываться новые. Этот процесс повторяется по мере того, как одна поверхность волочится по другой. Очевидно, что разрушение и растягивание молекулярных связей, движение атомов, поглощает энергию и, следовательно, также силу. Эта сила - сила адгезии. Она достигает своего максимума, кода различие в скорости находится где-то в интервале между 0,03 и 0,06 метров в секунду.

Второй компонент, гистерезис, существует из-за того, что резина деформируется. Поскольку каркас шины искривляется, в некоторых местах резина сжимается, а в других местах она растягивается. Для того, чтобы растяжение было возможно, атомы должны перемещаться относительно друг друга, и это необратимый процесс из-за трения. Трение вызывает нагрев колеса. И снова, все это поглощает энергию и таким образом силу. Эта сила - сила гистерезиса, которая очень схожа с силой адгезии, но ее величина определяется внутренним трением в резине.

По мере того, как нагрузка на колесо и величина скольжения изменяются, соотношение между этими двумя компонентами изменяется. Например, если велико скольжение, компонент гистерезиса будет преобладать над адгезией. Если состав резины очень мягкий, температура высокая и поверхность гладкая, адгезия будет преобладающей силой.

Заметьте, что все вышесказанное справедливо для очень твердых поверхностей, подобных асфальту или очень твердой глине. Если поверхность мягкая, существует деформация поверхности, которая служит причиной существования силы трения: выступы на шине вонзаются в поверхность и делают в ней бороздки. В этом случае график не имеет части, которая изгибается вниз, v всегда увеличивается по мере того, как нагрузка на колесо и величина скольжения увеличиваются. Это полностью другой механизм. Это также объясняет следующее явление: когда шоссейный автомобиль делает поворот и переносит вес на внешние колеса, его устойчивость к боковым ускорениям уменьшается, в то время как когда внедорожник делает то же самое, его устойчивость к боковым ускорениям увеличивается. Поэтому для шоссейных автомобилей имеет смысл поддерживать высокую устойчивость к крену (учтите стабилизаторы поперечной устойчивости), а для внедорожников имеет смысл поддерживать низкую устойчивость к крену.

Круг силы сцепления

Теперь, когда мы знаем, как работает трение, и что оно обычно максимально при наличии небольшого скольжения, давайте определим, как оно влияет на управление автомобилем.

За исключением случая, когда рисунок протектора шины не является симметричным, трение одинаково во всех направлениях и имеет максимальное значение, которое также одинаково во всех направлениях. Это может быть представлено с помощью круга силы сцепления.

 

Вертикальная составляющая графика изображает ускорение и замедление, а горизонтальная изображает повороты направо и налево. Максимальная величина сцепления представлена краем круга, а область внутри круга представляет собой величину сцепления колеса с дорогой.

Конечно, самым быстрым способом прохождения трассы является использование ваших колес до их истинного предела. Поэтому, для максимально быстрого торможения вам потребуется привести колеса в точку C на графике. Если вы тормозите слишком жестко, и превосходите точку C на графике, вас будет заносить, и дистанция торможения будет увеличиваться. Вы можете даже потерять управление. Сходные эффекты происходят при ускорении: если вы превзойдете точку A, вы получите избыток пробуксовки, и ускорение замедлится. Также возможно превысить предел сцепления при поворотах (точки D и B) и войти в занос.

Но сложнее всего исследовать не осевые линии, а сектора между ними. Например, точка D (зеленая), представляет ситуацию, когда автомобиль поворачивает направо и ускоряется. Заметьте, что точка D (зеленая) находится на крае круга, т.е. пока автомобиль не ускоряется и не поворачивает на максимальной скорости, точка D находится где-то между точками A и B. Допустим, что вы ускоряетесь максимально быстро (точка A) и немного поворачиваете налево. На графике это означает, что вы находитесь в точке слева от A, что находится за пределами круга, поэтому колеса сорвутся в скольжение, и автомобиль не станет поворачивать (передний привод) или войдет в занос (задний привод). Другой интересный факт заключается в следующем: чтобы получить наибольшую устойчивость к боковым ускорениям, к колесам не должно быть приложено никакого вращающего момента (точки B и D). И наоборот, для того, чтобы получить максимально возможное ускорение или торможение, не должно быть никакого поворота колес.

Имейте в виду, что радиус круга силы сцепления представляет максимальную силу адгезии, и она пропорциональна (как объяснялось в предыдущем параграфе) вертикальной нагрузке на колесо. Итак, в двух словах, размер круга увеличивается при увеличении вертикальной нагрузки на колесо, и уменьшается при уменьшении вертикальной нагрузки. Круг вообще не существует, когда нет нагрузки на колесо. Это вполне логично, так как колесо, подвешенное в воздухе, не может сопротивляться никакой боковой силе.

Углы бокового увода

Вам можете быть интересно, что именно случается, когда вы выходите за пределы круга силы сцепления, и как ваш автомобиль будет реагировать. Углы бокового увода дают ясное описание этого процесса.

Угол бокового увода - это угол между направлением, куда указывает колесо и куда оно действительно движется (т.е. угол векторной суммы поступательной скорости колеса V и скорости бокового скольжения U). Угол бокового увода имеет результатом силу, перпендикулярную направлению движения колеса - боковую реактивную силу. Эта сила увеличивается приблизительно линейно на протяжении первых нескольких градусов угла бокового увода, затем нелинейно увеличивается до максимума, прежде чем начинает убывать. Рисунок протектора и состав резины шины имеют самое непосредственное отношение к тому, какой угол увода обеспечивает максимальное сцепление шин.

Отличный от нуля угол бокового увода возникает из-за деформации в протекторе и каркасе шины. При вращении колеса, трение между пятном контакта и дорогой приводит к тому, что индивидуальные "элементы" протектора (бесконечно малые участки протектора) остаются неподвижными относительно дороги. Если присутствует скорость бокового скольжения U, пятно контакта будет деформироваться. Как только элементы протектора входят в пятно контакта, трение между дорогой и шиной означает, что элементы протектора остаются неподвижными, а шина продолжает двигаться вбок (в сторону).

Так как элементы протектора движутся через пятно контакта, они будут все дальше отклоняться от средней плоскости колеса:

Обратите внимание: автомодель поворачивает налево.

Это отклонение вызывает увеличение угла бокового увода и боковой реактивной силы.

Так как вес автомобиля распределен по колесам неравномерно, углы бокового увода каждого колеса будут различными. Соотношение между углами бокового увода будет определять поведение автомобиля в данном повороте. Если передние и задние колеса имеют различные углы бокового увода, то мы получаем недостаточную или избыточную поворачиваемость.

Недостаточная поворачиваемость:
Передний угол бокового увода > Задний угол бокового увода.

Избыточная поворачиваемость:
Передний угол бокового увода < Задний угол бокового увода.

Сбалансированная поворачиваемость:
Передний угол бокового увода = Задний угол бокового увода.

В действительности, мгновенные углы бокового увода зависят от многих факторов, включая состояние дорожной поверхности, но подвеска автомобиля может быть сконструирована так, чтобы способствовать особым динамическим характеристикам. Основное средство регулировки имеющихся углов бокового увода состоит в изменении относительных моментов крена спереди и сзади, изменяя относительную величину переднего и заднего бокового переноса веса. Это может быть достигнуто путем изменения высоты центров крена или путем добавления стабилизаторов поперечной устойчивости.

Каждое колесо имеет свой собственный угол бокового увода.

Колесо, которое не скользит, имеет нулевой угол бокового увода. Но скольжение может быть как внутреннее, так и внешнее; пятно контакта шины не обязательно должно скользить относительно дороги, изгиб каркаса шины тоже форма скольжения.

Следующий рисунок показывает автомобиль, проходящий поворот на низкой скорости. Все четыре угла бокового увода равны нулю.

 

 

Предположим, что автомобиль обладает правильным эффектом Аккермана и не имеет заднего схождения, поэтому автомобиль может повернуть без проскальзывания колес. Заметьте, что воображаемые линии, проходящие через четыре полуоси, пересекаются в одной точке. Это точка, вокруг которой поворачивает автомобиль. Своего рода апекс поворота, который проходит автомобиль. Это типичная ситуация, когда скорость прохождения поворота мала, и все четыре колеса нагружены более или менее одинаково.

Но, к сожалению, жизнь не всегда устроена так, как нам хочется. Первым достаточно частым условием является недостаточная поворачиваемость. Это происходит, когда передние колеса не имеют достаточной нагрузки и начинают скользить, создавая угол бокового увода.

 

 

Угол бокового увода передних колес - угол между синими и зелеными линиями.

Автомобиль не поворачивает вокруг точки, которую вы ожидали (точка, где пересекаются синие линии, точка N). Вместо этого, он поворачивает вокруг точки пересечения зеленых линий (точка U), что делает радиус поворота больше, чем ожидается. Это состояние недостаточной поворачиваемости, когда радиус поворота больше, чем вы хотели.

Может также произойти противоположное: задние колеса могут иметь недостаточную нагрузку и начнут проскальзывать. Это обычно приводит к состоянию, которое называется избыточная поворачиваемость, это когда радиус поворота меньше, чем вы ожидаете.

 

 

В данном случае задние колеса начинают скользить, создавая углы бокового увода сзади автомобиля. Внутреннее переднее колесо тоже начинает скользить. Это происходит потому, что автомобиль не может поворачивать вокруг двух разных точек одновременно, и автомобиль поворачивает вокруг точки O (тогда как водитель ожидает, что автомобиль будет поворачивать вокруг точки N). Когда автомобиль проходит поворот, линии, показывающие углы бокового увода, всегда пересекаются в точке, вокруг которой поворачивает автомобиль. Если они не пересекаются в этой точке, колесо с наименьшей нагрузкой (в данном случае внутреннее переднее) будет создавать угол бокового увода.

Заметьте, что точка, вокруг которой поворачивает автомобиль (O), теперь находится значительно ближе к центру автомобиля и больше сдвинута к передней части. Автомобиль будет поворачивать очень резко, намного круче и раньше, чем ожидается.

Недостаточная поворачиваемость безопаснее, чем избыточная. Если автомодель находится в состоянии недостаточной поворачиваемости, и не сделаны поправки, тогда результатом будет более широкий, чем необходимо, радиус поворота, но автомобиль остается стабильным. Если автомодель находится в состоянии избыточной поворачиваемости, тогда результатом будет меньший, чем необходимо, радиус поворота. Меньший радиус поворота производит более высокие силы, действующие на модель в повороте, приближая требуемое для задних колес сцепление еще ближе к пределу, таким образом вызывая еще большую избыточную поворачиваемость. Ситуация ухудшается до тех пор, пока задние колеса не потеряют сцепление окончательно, модель закрутится, и контроль будет потерян.

Избыточная и недостаточная поворачиваемость являются очень распостраненными ситуациями, но в действительности могут происходить всякого рода странные вещи.

Например: вы можете пройти поворот управляемым заносом.

 

 

Несмотря на то, что передние колеса направлены налево, автомобиль поворачивает направо. Задние колеса скользят на предельном угле. Нет необходимости говорить, что это требует значительного водительского мастерства.

Это обсуждение будет неполным без дискуссии о том, как пилот должен реагировать на избыточную и недостаточную поворачиваемость.

Из-за своей нестабильной природы, избыточная поворачиваемость требует быстрой реакциии для восстановления контроля. Предположим, что ситуация была вызвана ускорением автомодели приводимой в движение задними колесами, тогда есть два средства. Во-первых, снизить ускорение, чтобы сцепление вернулось в свои пределы. Во-вторых, намеренно описывать более широкий круг, чем было предназначено (обратная блокировка).

Ситуация отличается для автомодели приводимой в движение передними колесами, поскольку избыточная поворачиваемость вызвана излишним переносом веса при торможении. Применение ускорения восстановит баланс модели.

Недостаточная поворачиваемость не может быть исправлена увеличением угла поворота передних колес. Это только увеличит силы, действующие на модель в повороте, и передние колеса потеряют сцепление окончательно. Правильным способом будет уменьшение угла поворота и торможение.

Также стоит сказать пару слов о поворачиваемости и чувствительности управления. Не запутайтесь между этими двумя терминами! Поворачиваемость, или величина управления, относится к крутизне поворота, а чувствительность относиться к скорости или быстроте реакции на поворот.

 

Колеса для внедорожных автомоделей.

Колеса для внедорожных автомоделей действуют совершенно по-иному, чем колеса для шоссейных автомоделей. У них обычно есть некоторый рисунок протектора с выступами, которые впиваются в грунт, или ряды небольших шипов, которые цепляются за поверхность. Это совершенно отличается от описанной выше модели трения, где вы имели ровную, твердую поверхность и постоянное пятно контакта шины.

Сцепление внедорожных шин обычно более сложное, кривые имеют более сложную форму, есть множество типов грунта, больше переходных процессов и переменных.

Рисунок протектора