Рис. 125. График рабочего баланса автомобиля класса до 1100 см³:
1 — с кузовом, имеющим открытые колеса; 2 — с кузовом, выполненным заодно целое с обтекателями колес

Расчетные данные, приведенные в табл. 29, подтверждают это положение.

Автомобили класса до 750 см³ и более «младших» классов часто строят с использованием двигателей, применяемых на спортивных и гоночных мотоциклах, дающих достаточно высокую мощность. Небольшие габариты этих двигателей позволяют улучшить внешнюю форму автомобиля, что вместе с небольшим их весом способствует получению хороших динамических качеств автомобилей «младших» классов.

На рис. 126 представлен график рабочего баланса автомобиля класса до 750 см³ для двигателя без нагнетателя и с нагнетателем. Внешняя форма автомобиля предусматривает применение кузова с отдельными обтекателями над колесами, в соответствии с чем выбрана лобовая площадь F = 1,0 м² и коэффициент сопротивления воздуха K = 0,022. Полный вес автомобиля с водителем составляет 500 кг.

Рис. 126. График рабочего баланса автомобиля класса до 750 см³: N’е и N’k — для двигателя без нагнетателя, N»е и N»k — для двигателя с нагнетателем

В табл. 30 приведены расчетные данные для построения графика рабочего баланса автомобиля класса до 750 см³. Максимальная скорость автомобиля достигает 205 км/час при установке на двигатель нагнетателя.

При построении рабочих балансов дорожно-гоночных автомобилей было выявлено влияние веса и формы кузова на величины максимальной скорости автомобиля. Не менее важное влияние оказывают эти факторы и на приемистость автомобиля.

Приемистость автомобиля характеризуют два показателя: время и путь разгона. Эти показатели имеют важное значение как для начального момента разгона автомобиля от ноля до максимальной скорости, так и для отдельных интервалов скорости, например в тех случаях, когда водителю приходится снижать скорость перед поворотом и вновь набирать ее после выхода из поворота.

Помимо указанных ранее факторов, влияющих на динамические качества автомобиля, путь и время разгона зависят от передаточных чисел в коробке передач.

У большинства автомобилей зависимость между передаточными числами берется близкой к геометрической прогрессии. При четырехступенчатой коробке принимают

Наибольшее значение для быстрого разгона имеет выбор соотношения между передаточными числами второй и третьей передач.

Четвертая передача в большинстве случаев имеет передаточное число i 4 = 1. В этом случае соотношение между передаточными числами второй и третьей передач будет:

В действительности у большинства автомобилей это соотношение имеет некоторое отклонение как в сторону больше единицы, так и в сторону меньше единицы. У скоростных автомобилей большей частью это соотношение берется в сторону, меньшую единицы, т. е.:

Чем больше передаточное отношение первой передачи i 1 , тем выше величина максимального тягового усилия.

В некоторых случаях тяговое усилие на первой передаче превышает силу сцепления, и тогда автомобиль трогается с места с пробуксовкой ведущих колес. Это явление можно наблюдать на многих скоростных соревнованиях при взятии старта с места. Небольшое превышение максимального тягового усилия над силой тяги по сцеплению (порядка 5%), дающее не слишком сильное буксование колес при трогании с места, является допустимым, так как при этом происходит более быстрое «раскручивание» колес, и автомобиль делает более резкий рывок с места.

Для быстроты разгона огромное значение имеет техника переключения передач. Процесс разгона автомобиля на различных передачах заключается в том, что сначала увеличивают обороты коленчатого вала двигателя при включенной первой передаче до достижения максимальной мощности двигателя, после чего переходят на вторую передачу.

Во время перехода с одной передачи на другую обороты коленчатого вала двигателя снижаются, а скорость автомобиля за время переключения несколько падает, поэтому разгон на второй передаче начинают с того числа оборотов, до которого оно упало за время переключения. То же самое повторяют при переходе на третью передачу.

Быстрый разгон будет происходить, когда средняя мощность двигателя за время движения на всех промежуточных передачах будет наибольшей. Это возможно, если обороты, с которых начинается разгон, на каждой передаче соответствуют наибольшей мощности.

Для быстроты разгона желательно начинать его на всех передачах с одного и того же числа оборотов, соответствующих достаточно высокому значению мощности. При этом возрастет средняя мощность двигателя за все время разгона.

Для осуществления быстрого разгона водитель должен следить за числом оборотов коленчатого вала двигателя по тахометру, не производя переключения на следующую передачу до того момента, пока двигатель не разовьет оборотов, соответствующих максимальной мощности.

Автомобиль с открытыми колёсами

Автомобиль с открытыми колёсами (монопост, одноместный болид, формульный болид) — тип гоночного автомобиля, представляющий собой одноместный [1] автомобиль с колёсами, вынесенными из кузова. Этот тип, появившийся в начале XX века — ныне один из самых распространённых типов гоночных автомобилей.

Содержание

Названия

Этот тип имеет два названия, указывающие на его конструктивные особенности — в Америке укоренилось название «open wheel car» — автомобиль с открытыми колёсами, тогда как в Европе указывают на его одноместную конструкцию — монопост (англ. single seater, нем., итал., чешск. — monopost). В Америке же технические требования к таким автомобилям начали сводить в специальные документы, получившие название «формул». Постепенно слово «формула» стало фигурировать в названии большинства чемпионатов и серий монопостов, начиная с Формул-1, −2, и −3, что дало повод называть такие гонки «гонками формульного типа». В России слово «формула» все чаще стало применяться и к самим машинам, участвующим в таких гонках. Также и в Западной Европе все шире распространяется термин «formula car».

История

Первые автомобили данного типа появились в США в начале ХХ века, и поначалу были вовсе не одноместными, вместе с водителем в гонке участвовал механик, так как дистанции были большими, а надежность машин невысока. Постепенно гонки переместились на закрытые трассы относительно небольшой длины, а надежность машин выросла, после чего механик переместился на обочину, а позже в специальную зону технического обслуживания. Результаты гонок на «больших автомобилях» начали идти в специальный зачет, ведшийся Американской автомобильной ассоциацией. Так родился первый чемпионат. Технические требования стали сводиться в специальные документы, получившие название «формул».

В Европе гонки на автомобилях с открытыми колёсами стали проводиться в 20-х гг. Новые машины получили название монопостов и они начали участвовать в престижных гонках Гран-При. С 1930 г. результаты некоторых Гран-При стали заноситься AIACR в отдельный зачет, создав личный чемпионат Европы, а в 1946 г. была создана FIA, которая определила основные классы монопостов — Формула-1, −2 и −3. В 1950 г. был организован чемпионат мира, проводимый на машинах Ф1.

Устройство

Подвеска

Согласно названию, колёса автомобилей должны находиться вне корпуса. Впрочем, бывали и исключения — в 1954 г. команда Ф1 Мерседес, воспользовавшись лазейками в регламенте, выставляла на некоторые гонки, преимущественно скоростные, машины с колёсами, закрытыми лёгким кузовом. В дальнейшем регламент Ф1 был пересмотрен с целью исключения подобных случаев.

Также вне корпуса находится и подвеска. Сейчас это двойной поперечный рычаг с толкаемой либо тянущей штангой (push-rod и pull-rod, соответственно).

Число колёс, как правило, не превышает 4, хотя были случаи и 6-колёсных автомобилей — впервые такой автомобиль появился в 1948 г. в Национальном Чемпионате ААА, в 1976 г. команда Ф1 Тирелл также представила автомобиль с 6 колёсами, однако попытка команды Ф1 Уильямс выставить в 1982 г. шестиколёсный автомобиль натолкнулась на запрет, с тех пор все автомобили с открытыми колёсами имеют их не больше 4.

Двигатель

Двигатель долгое время находился впереди гонщика, приводя в движение заднюю ось посредством карданного вала, так или иначе проходившего через кабину. Впервые иное расположение двигателя — позади кабины — было предложено немецким инженером Фердинандом Порше в 1920-х гг., но реализовано в металле было лишь в 1934 г. в гоночных автомобилях Ауто Унион, построенных под руководством того же Порше. Впоследствии эта схема получила развитие на автомобилях Ауто Унион, но Вторая мировая война положила конец их эволюции, а после войны уже не использовалась. Вновь эта схема была применена уже в 1950-х гг. Эшли Купером. В 1961 г. автомобили заднемоторной схемы дебютировали в США, в 1965 г. выиграли гонку Инди-500, и с тех пор заднемоторная схема стала стандартом для автомобилей с открытыми колёсами, за исключением спринт-каров, используемых для гонок по грунтовым овалам.

Сами двигатели — почти исключительно четырёхтактные поршневые, работающие по циклу Отто, атмосферные или с турбокомпрессорами. В американском чемпионате проводили опыты с дизельными двигателями, также были попытки применения газовых турбин, в Америке и в Европе.

Аэродинамика

В начале XX столетия вопросы аэродинамики не сильно волновали конструкторов автомобилей, которые еще не развивали высоких скоростей. Первая Мировая война дала толчок исследованиям в области аэродинамики и с возобновлением в 20-х гг. гонок Гран-При некоторые инженеры (как, например, Фердинанд Порше) решили применить каплевидные обтекаемые кузова.

С 1960-х гг. требования аэродинамики все больше учитываются при создании гоночных автомобилей, конструкторы стараются добиваться не только уменьшения лобового сопротивления как раньше, но и увеличения прижимной силы — лёгкие машины не могли реализовать всю мощь своих моторов из-за пробуксовки в поворотах. Монопосты начинают обрастать теми или иными аэродинамическими приспособлениями.

Наиболее часто встречаются переднее и заднее антикрылья, прижимающие к дороге соответственно переднюю и заднюю часть автомобиля. Впрочем, в начале 80-х автомобили Ф1 обходились без передних крыльев — основную прижимную силу создавали сами корпуса машин, которые вкупе с заградительными эластичными юбками создавали под днищем машины разрежение, прижимающее их к трассе (граунд-эффект). Сейчас граунд-эффект практически везде запрещён, а прижимную силу создаёт диффузор — расположенная в задней части днища открытая сужающаяся П-образная полутруба, ускоряющая протекающий под машиной воздух (принцип трубки Вентури).

Открытые колёса являются важным аэродинамическим элементом — они имеют большую ширину, а их верхний край движется навстречу набегающему потоку. В итоге они производят серьёзные воздушные завихрения, сильно ухудшающие аэродинамическую эффективность автомобиля (коэффициент лобового сопротивления достигает 1,0-1,2) и, таким образом, не может сравниться со спортпрототипами, у которых колёса закрыты (коэффициент лобового сопротивления 0,3-0,4). Предпринимавшиеся различные попытки закрыть колёса от набегающего потока пресекаются контролирующими органами.

Маломощные монопосты, а также спринт-кары (используемые для гонок на грунтовых овалах) могут вообще не иметь аэродинамических элементов — развиваемые ими скорости не столь велики.

Корпус

Корпус монопоста имеет минимальное поперечное сечение, с тем чтобы только закрывать пилота. С 1962 года команда Ф1 Лотус применяет новую конструкцию корпуса с использованием монококов — жёстких пространственных конструкций, более устойчивых к кручению и ударам. Тогда же гонщик изменил свою позицию в кокпите — он больше не сидел более-менее прямо, а занял практически полулежачую позицию. Это не только уменьшило лобовое сопротивление, но и улучшило переносимость перегрузок. В первой половине 80-х в Формуле-1 появились углепластиковые монококи, которые затем широко распространились на все остальные серии. В монококе располагается кокпит — открытая кабина пилота (хотя и предпринимались различные попытки закрыть пилота). Сразу за кабиной располагается дуга безопасности, призванная принимать удары при переворотах машины. Спереди к монококу крепится передняя подвеска и передние аэродинамические элементы, сзади — двигатель, к которому крепится коробка передач, а к той — задняя подвеска и задние аэродинамические элементы. С 1970 г. команда Ф1 Лотус располагает радиаторы в боковых понтонах, что позволило придать носу машины максимально эффективную с точки зрения аэродинамики форму.

Трансмиссия

Привод, независимо от расположения двигателя, чаще всего делался задний, хотя в серии Индикар были попытки использования переднеприводных автомобилей, а полный привод использовался и в Индикаре, и в Формуле 1. Переключение передач всегда ручное, хотя в последнее время повсеместное распространение получили разработанные ещё для Формулы 1 секвентальные полуавтоматические коробки с переключением подрулевыми переключателями.

Пилотирование

Автомобили с открытыми колёсами обычно имеют наименьшую массу среди всех гоночных машин своего класса мощности и наибольшую концентрацию мощности среди автомобилей своего веса. Массы монопостов находятся в пределах 455—700 килограмм, а мощности могут достигать и превосходить 1 000 лошадиных сил. Это, а также высокая аэродинамическая оснащенность, определяет их наибольшие возможности по ускорению в поворотах и делает их наиболее быстрыми среди всех гоночных автомобилей.

Прототипы в принципе отличаются лишь закрытыми колесами, а потому теоретически тоже могут достигать таких динамических показателей, но на данный момент такие машины используются лишь в гонках на выносливость, а потому не могут сравниться с монопостами в скорости. В то же время возможна постройка прототипа из монопоста путем установки на него легкого кузова, закрывающего колёса — именно так были построены прототипы Can-Am второй половины 70-х.

Высокие динамические характеристики монопостов накладывают повышенные требования к физической подготовке пилотов. Также автомобиль с открытыми колёсами даёт небольшое преимущество, так как пилоту проще строить траекторию движения из-за того, что он видит колеса авто. Кроме того, пилотирование требует большей аккуратности, монопосты практически не способны переносить без повреждений контакты, а контакт колесо-на-колесо очень опасен ввиду того, что один из автомобилей может взлететь и перевернуться.

Производители машин с открытыми колёсами

Участники гонок на машинах с открытыми колёсами могут строить их сами (так в Чемпионате Мира Формулы-1), а могут закупать у стороннего производителя (в большинстве остальных случаев). Современные производители монопостов:

Международные чемпионаты на автомобилях с открытыми колёсами

Автомобили с открытыми колесами участвуют практически исключительно в кольцевых гонках на трассах с твердым покрытием — стационарных, временных или трассах овального типа. Спринт-кары и миджеты используются в гонках по коротким гаревым трекам. Также списанные из других серий монопосты могут использоваться в соревнованиях по подъёму на холм.