«Карт — это микроавтомобиль» — такое определение очень часто можно встретить в различных статьях, посвященных картингу, а также при обсуждении этого интересного и посвоему особенного вида спорта.
Однако можно с уверенностью утверждать, что это определение очень слабо соответствует действительности!
Действительно, карт, как и автомобиль, имеет четыре колеса и двигатель, рулевое колесо и сидение для водителя. Однако есть принципиальные отличия карта от автомобиля — неразрезная задняя ось (без дифференциала) и отсутствие упругой
подвески колес. Но так ли значительны эти отличия, что из-за них карт даже микроавтомобилем назвать невозможно?
Ну что же, попробуем это себе уяснить. Рассмотрим простейшее шасси автомобиля как четырехколесную тележку. Она состоит из четырех подрессоренных колес, два из которых (передние) управляемые, а два (задние) — неуправляемые, ведущие и расположены на одной оси.
На ведущей оси автомобиля есть дифференциал — механизм, позволяющий колесам при передаче крутящего момента от двигателя вращаться с разными угловыми скоростями (Рис. 1). Заметим также, что понятие «подрессоренные колеса» означает, что при движении автомобиля в нормальных условиях при наличии неровностей на дороге все его четыре колеса постоянно находятся в контакте с дорогой.
Наиболее сложным при движении такой четырехколесной тележки будет
прохождение поворота.
Наличие упругой подвески обеспечивает постоянный (в допустимых ходами подвески пределах) контакт всех колес автомобиля с поверхностью дороги. Каждое колесо катится без проскальзывания и без бокового скольжения по своей траектории (дуге вокруг точки поворота О) с соответствующими радиусами R1, R2, R3, R4. Внутренние к повороту колеса 1 и 3 описывают разные и меньшие дуги, а наружные 2 и 4 — соответственно тоже разные, но большие. При этом все колеса проходят разное
расстояние, а значит, вращаются с разными угловыми скоростями. Это обстоятельство особенно важно для ведущих колес, так как они соединены приводными валами и, казалось бы, должны вращаться с равными угловыми скоростями. Однако наличие в силовом приводе колес такого устройства, как дифференциал, позволяет им вращаться с разными угловыми скоростями.
*Конструктивно дифференциалы в трансмиссии автомобиля могут иметь самые разнообразные конструкции. Они могут быть шестерен чатые, кулачковые, дисковые и т. д. с коэффициентом трения (характеризующим моменты и угловые скорости одного колеса относительно другого) от 0 до 1.
Передние управляемые колеса также описывают разные дуги, а значит, также должны вращаться с разными угловыми скоростями. Однако этому ничего не мешает, так как колеса независимо вращаются каждое на своей оси.
Важно другое. Для того, чтобы описать разные по радиусу дуги, колеса должны быть повернуты на разные углы — внутреннее на больший угол, внешнее — на меньший. Это обеспечивается применением в рулевом приводе такого конструктивного элемента, как рулевая трапеция (Рис. 2). Ось передних колес (1), рычаги поворотных кулаков (2), и поперечная тяга (3) образуют трапецию.
При повороте управляемых колес, связанных между собой трапециедально рулевыми тягами, за счет того, что рычаги поворотных кулаков описывают разные по длине дуги, колеса поворачиваются на разные углы. Внутреннее колесо поворачивается на больший угол, чем наружное. Этот угол тем больше, чем больше угол между рычагами. При конструировании автомобиля этот угол, который еще называется углом Аккермана, рассчитывается с учетом колеи передних колес, базы автомобиля (расстояния между передней и задней осями) и других параметров так, чтобы при повороте автомобиля управляемые колеса поворачивались на требуемые углы.
Таким образом, автомобиль, сохраняя постоянный контакт между каждым колесом и дорогой, может проходить поворот так, что все его колеса будут свободно катиться без проскальзывания и возникновения сил, препятствующих такому повороту.
Другое дело карт. У него задняя приводная ось по техническим требованиям должна быть цельная (неразрезная) без дифференциала. Поэтому при повороте задние колеса, находясь в контакте с поверхностью трека, будут стремиться сохранять равные угловые скорости и проходить равные пути, а карт сохранить прямолинейное движение (Рис. 3).
Рассмотрим, какие силы при этом будут действовать на карт. Для упрощения рассуждений примем, что вес пилота и карта распределяется равномерно на все четыре колеса. Тогда при повороте карта на передние колеса будут действовать силы трения, заставляющие карт поворачивать в сторону поворота колес. Максимально возможная сила трения при этом может достигать величины силы веса, приходящегося на одно колесо, умноженной на коэффициент трения в пятне контакта. Колеса при этом могут свободно катиться каждое по своей траектории.
Сложнее обстоит дело с задней осью. Представим, что карт свободно катится и поворачивает так, что середина его задней оси поворачивает вокруг точки О по дуге с радиусом R0, а оба колеса карта вращаются с одинаковой угловой скоростью, соответствующей радиусу поворота этой точки так, как если бы одно колесо
находилось на этом радиусе.
Тогда, так как радиус поворота наружного колеса R1 больше, чем радиус R0, то наружному колесу необходимо пройти большее расстояние, чем то, на которое провернется колесо, а внутреннему — соответственно меньше R2. Это значит, что если внутреннее колесо пройдет путь меньший, чем расстояние, на которое провернется колесо, то значит оно пробуксует. А если наружное пройдет больший путь, чем окружность, на которую оно провернется, то значит его придется протянуть какоето расстояние «юзом». Что это значит? Если колесо тянут «юзом», то оно тормозит, и сила торможения будет равна силе веса, с которой колесо прижимается к поверхности трека, умноженной на коэффициент трения. Соответственно, если колесо буксует, то возникает сила, индентичная силе тяги, также равная силе веса, приходящего на колесо, умноженной на силу трения. И все это происходит в свободно катящейся тележке (точнее задней оси карта) по причине отсутствия дифференциала! В науке такое явление называется циркуляцией мощности.
В самом деле, для того, чтобы протянуть колесо «юзом», необходимо выполнить определенную работу. При буксовании колеса также выполняется работа. Если эти работы выполняются в одно время и тратятся сами на себя, то, в самом деле, мощность (работа в единицу времени) используется сама на себя — циркулирует. А так как при этом происходит трение, как торможения, так и буксования, то эта мощность тратиться впустую — «летит на ветер». Главное, что необходимо заметить, — то, что эти обе силы — буксования и торможения — равны. Каждая из этих сил является реакцией одна на
другую — они «вызывают» друг друга.
Вместе они создают пару сил, которая стремится повернуть весь карт в сторону, обратную повороту руля. При этом, чем меньше радиус поворота, тем больше будет момент этих сил, а значит тем труднее будет повернуть карт.
*На практике явление противодействия карта повороту можно наблюдать, когда толкают свободно катящийся карт с вывернутыми колесами. Если при этом нагрузить заднюю ось (например весом человека), вывернутые передние колеса переходят в «юз» и карт продолжает «упрямо» катиться прямо.
Как же карт все-таки поворачивает? Посмотрим, что будет, если силы, прижимающие колеса задней оси карта перераспределять, т. е. одну силу веса уменьшать, а вторую увеличивать на одну величину (Рис. 4).
Для более точного соответствия природе происходящего будем увеличивать силу веса наружного колеса, уменьшая при этом силу внутреннего.
Как только сила веса, приходящаяся на одно из колес задней оси (в данном случае — на наружное) станет больше, увеличится значение силы трения в пятне контакта этого колеса. Под воздействием этой силы колесо начнет катиться, а второе колесо увеличит скорость буксования. Однако сила тяги, которая будет возникать при буксовании, уменьшится, так как из-за снижения силы прижатия этого колеса к треку уменьшится сила трения. А так как сила торможения будет всегда равна силе тяги от буксования, то момент этой пары сил уменьшится, как и «сопротивление» карта повороту. Если мы полностью перенесем всю часть веса карта с пилотом с внутреннего колеса
на наружное, то внутреннее колесо станет свободно вращаться, а наружное —
свободно катиться (Рис. 4 б). Циркуляция мощности исчезнет. На (Рис. 5)
показана такая ситуация, полученная на модели.
Вот почему поворачивает карт! Оказывается, при повороте у карта заднее внутреннее колесо разгружается, приподнимаясь или даже отрываясь от опорной поверхности трека. Карт поворачивает на трех колесах — двух передних и одном заднем (наружном
от поворота).
Как это происходит? Что заставляет карт поднять внутреннее заднее колесо? Какие еще есть принципиальные отличия карта от автомобиля с точки зрения классической теории автомобиля и его управляемости? Что нужно делать с картом (как обеспечить его настройки) так, чтобы он поворачивал наилучшим образом как на малых, так и на больших скоростях? Что и как влияет на управляемость карта?
На эти и многие другие вопросы мы постараемся получить ответы при рассмотрении теоретических аспектов управляемости карта.
Источник: Статья из книги «Управляемость карта: Теория и практика»