A tapadási kör

Az oktató sorozat előző részében megismerhettük, hogy mi az a 3 fő elem amiből nagyjából összetevődik a rugalmas kerekű járművek útfelülethez viszonyított tapadása. Mint már tudjuk, álló és mozgó helyzetben a tapadás eltérő, hiszen mozgás közben más erők is hatnak a járműre mint álló helyzetben. Valljuk be, minket egyáltalában nem érdekel az álló helyzetben létrejövő tapadás, annál inkább a mozgás közbeni, hiszen az olvasók nagy része autóvezetésre, sőt inkább versenytempós vezetésre szeretné használni a tapadást. Nézzük, hogy is alakul mindez, mit kell erről alapvetően tudni!

A Kamm kör
Wunibald Kamm német professzor, autó- és repülőgép mérnök, az 1920-as években nagyban segítette elő a versenyautók és utcai autók tervezését. Bár elsősorban az aerodinamikai fejlesztései ismertek, gumiabroncsokkal és járműdinamikával kapcsolatos alapelvek is köthetőek a nevéhez. Az egyik ilyen az úgynevezett Kamm kör. Ezen viszonylag egyszerűen ábrázolható egy gumiabroncs, vagy kis túlzással egy autó pillanatnyi tapadási együtthatója.

A Kamm kör egy elterjedt erővektor-elmélet. A pillanatnyi súrlódási együttható könnyen kiszámítható, ha ismerjük a normál erőt (az abroncsokra eső terhelést) és a maximálisan elérhető horizontális eredő erőt. Ez utóbbi két vektorra (két részre) osztható fel, a hosszirányú és az oldalirányú erőkre. Ebből adódóan a maximális súrlódási együttható egy kör alakú diagramot eredményez, ezért nevezhetjük a tapadás körének is. Vagyis a Kamm-kör lényege, hogy az adott járműhöz, útfelülethez és gumiabroncshoz, a normál erő ismeretében meghatározható az elérhető maximális tapadás gyorsuláskor és/vagy kanyarodáskor. Tekintsük a fenti ábrát, amin maga a Kamm kör látható.

Tipp:
A Kamm kör egy elméleti szemléltető eszköz, a gyakorlati tapasztalatok alapján a grafikon inkább vízszintesen összenyomott ellipszisre hasonlít. Ez nagyjából azt jelenti, hogy az oldalirányú tapadás nagyobb, mint a hosszirányú, tehát kanyarodáskor nagyobb tapadással számolhatunk mint gyorsításkor vagy lassításkor.

Amikor fékezünk, gyorsítunk vagy kanyarodunk, úgynevezett terhelésváltás következik be. Ezek a terhelésváltások hatnak az autóra is, ettől billen előre-hátra vagy jobbra balra, akárcsak mindeközben mi magunk is. A terhelésváltás megváltoztatja a gumiabroncsokra ható terhelést is, így annak tapadási képessége is megváltozik.

Az ábrán függőleges irányban a hosszirányú terhelések láthatóak (gyorsítás és lassítás), vízszintes irányban az oldalirányú terhelések (kanyarodás). A zöld kör kerülete a tapadás határa. Amíg a pillanatnyi terhelések összeadódva ezen belül helyezkednek el addig van tapadás, ha ezen kívül, akkor a tapadás csökken vagy megszűnt (vörös színnel jelölve).

Tekintsük az első példát, ahol egy jobbos kanyarban kb. 50% gázpedál állással gyorsítunk. A gyorsításból eredő hosszirányú terhelés és a kanyarodásból eredő oldalirányú terhelés vektorát összeadva megkapjuk az eredő horizontális erőt (narancs színnel jelölve). Mint látható, ez a tapadási körön belül helyezkedik el, vagyis az autó könnyedén be fog kanyarodni még gyorsítás közben is. A második esetben ugyanebben a kanyarban ugyanolyan kormányszöggel 100%-ban nyomjuk be a gázpedált, ettől azt remélve, hogy kétszer olyan gyorsak leszünk. Az eredő horizontális erő azonban megnövekedett, és így már a tapadási körön kívülre került. Ez azt jelenti, hogy a tapadás csökkent, tehát az autó csúszni fog. Az eredő erő minél távolabb kerül a tapadás határától, az autó annál kevésbé irányítható.

Mit kell ebből megtanulni? Azt, hogy az abroncsok tapadási képessége minden esetben megoszlik a hosszirányú és az oldalirányú tapadás között. Képesek vagyunk 100%-os tapadással gyorsítani. Képesek vagyunk 100%-os tapadással lassítani. Képesek vagyunk 100%-os tapadással kanyarodni. Ezeket azonban csak akkor, ha közben nem csinálunk mást. Vagyis Ha 100%-os tapadással lassítunk, és közben kanyarodni is szeretnénk, akkor a tapadás mindkét irányban kevesebb lesz mint 100%. Tehát nem is lassulunk annyira mint lehetne és nem is kanyarodunk olyan kis ívben mint lehetne. A gyakorlatban a legtöbbször ez úgy néz ki, hogy az autó alulkormányzottá válik, vagyis nem fog bekanyarodni (egyenesen csúszik tovább), és közben még a féktáv is megnő.

Egyszerűbben mondva: az abroncs tapadási képességét csak egyetlen irányban lehet 100%-ban kihasználni. Ha például ezt fékezésre szeretnénk fordítani, akkor kanyarodásra nem tudunk még 1%-ot sem pluszban kicsikarni.

Hosszirányú és oldalirányú tapadás megosztása
Mivel versenytempós vezetéskor a célunk az hogy a tapadás határán autózzunk, a hosszirányú és oldalirányú terhelések arányát mindig a tapadás köréhez kell igazítani. Nézzük egy példán keresztül, hogyan is lehet mindezt megtenni!

A példa szerint nagy sebességgel érkezünk egy balos kanyarhoz. Mivel profi versenyzők vagyunk, így tudjuk, hogy egyenesen haladva fékezünk. Mivel ekkor kanyarodnunk még nem kell, így a rendelkezésre álló tapadás 100%-át tudjuk a fékezésre fordítani, így a lehető legrövidebb úton, a lehető legrövidebb idő alatt lassulunk le a szükséges sebességre.

A második lépésben megkezdjük a kanyarodást. Mivel most a tapadás egy részét az oldalirányú tapadásra kell felhasználni, a fékezésre már nem marad annyi mint az egyenesben. Ahhoz tehát hogy ne veszítsünk tapadást, vagyis ne csússzunk meg, valamelyik irányban csökkenteni kell a fellépő erőket. Ez célszerűen a hosszirányú terhelés lesz, vagyis a lassulás. Ezt azzal érhetjük el, hogy elkezdjük felengedni a fékpedált. Figyeljük meg, hogy minél több tapadást akarunk a kanyarodásra felhasználni, annál kevesebbet tudunk a fékezésre (lassulásra, hiszen az autó fékezés nélkül is lassulni fog a kanyarodás miatt... erről azonban majd később). Ezért fontos, hogy a fékpedált folyamatosan, lassan engedjük fel, vagyis degresszív fékezést alkalmazzunk. Csak így lehetséges a tapadás 100%-át kihasználni!

A harmadik ábrán azt az állapotot látjuk, amikor megérkezünk a kanyarcsúcsponthoz. Ilyenkor az autó már nem lassul és még nem is kezdünk gyorsítani, ami azt jelenti, hogy a hosszirányú terhelés nem változik, vagyis a tapadás 100%-át a kanyarodásra tudjuk fordítani. Ebből is látszik, hogy miért nevezzük a kanyarcsúcspontot egyben váltópontnak is, hiszen a terhelés itt vált lassulásból gyorsulásra. Itt helyezhetjük át jobb lábunkat a fékpedálról a gázpedálra, ha nem bal lábbal fékezünk.

Negyedik fázisban elhagytuk a kanyarcsúcspontot, tehát elkezdhetünk kigyorsítani, amihez a gázpedálra lépünk. Ilyenkor a tapadás minél nagyobb részét gyorsításra szeretnénk használni (vagyis hosszirányban), ami azt jelenti, hogy a kanyarodásra felhasználható oldalirányú tapadásnak csökkennie kell. Ezt csak úgy tudjuk megoldani, ha egyre nagyobb ívben kanyarodunk, vagyis nyitunk a kormánykerék szögén (elkezdjük az egyenes irányhoz, vagyis 0 fokhoz közelíteni). Mivel a nagyobb ívű kanyarodáshoz kisebb tapadás szükséges, így az ebből felszabaduló oldalirányú tapadást használhatjuk a hosszirányúhoz, vagyis a gyorsításhoz. Mint látható, a gázpedál lenyomását a kormány forgatásához kell igazítani, mert ha nem így teszünk, akkor a kettő összege túllépheti a 100%-os tapadást. Ilyenkor az autó megcsúszik, kisodródik. Ezt leginkább a gázpedál visszaengedésével érdemes korrigálni, de persze lehetséges ellenkormányzást is végezni, vagyis kisebb ívre kényszeríteni az autót. Mindkét megoldással időt veszítünk, mert vagy leesünk az ideális ívről, és/vagy nem tudunk elég hamar, elég hosszan kigyorsítani. Többek között ezért érdemes késői csúcspontérintést alkalmazni, mert olyankor hosszabban tudunk egyenes irányban gyorsítani.

Tipp:
Mivel általában az autóknak csak az első kerekei fordulnak, a hátsók nem, így a kúszási szög miatt változó kontaktfelületnek köszönhetően az első és hátsó kerekekre a gyakorlatban eltérő tapadás jellemző. A fenti példában nem az autó valamelyik gumiabroncsának pillanatnyi tapadási együtthatóját szemléltettük, hanem az autó összegzett tapadását.

Profi vs amatőr versenyző tapadási köre
Ha figyelmesen szemléljük a fenti ábrákat, akkor láthatjuk, hogy egy profi pilóta minden esetben 100%-on tartja a tapadást, vagy legalábbis erre törekszik. Az alábbi két ábrán ezt a módszert hasonlítjuk össze két eltérő amatőr sofőr kanyarodásával.

Az első sofőr túlságosan óvatos a versenytempós vezetéshez, valójába Ő inkább utcai stílusban vezet. Minden esetben a tapadási körön belül tartja az autót. Nem fékez erősen, és főleg nem degresszíven, vagyis a fékpedált gyorsan engedi fel. Mivel bőven a tapadási körön belül autózik, így ez nem befolyásolja túlzottan károsan a teljesítményét. Nem kanyarodik nagy sebességgel és óvatosan is gyorsít ki. Balesetet nem fog szenvedni a pályán az szinte biztos, viszont nem is fog jó köridőket elérni. Valójában minden kezdőnek így kéne a pályán vezetnie, és innen folyamatosan emelni a sebességet és csökkenteni a féktávot. Ez minden szempontból a legelőnyösebb megoldás ahhoz, hogy megtanulhassuk a versenytempós vezetést.

A második kezdő sofőr nem ennyire óvatos, sőt inkább vakmerő. Megpróbál rövid féktávot venni, amihez persze magas féknyomás szükséges. Ettől az autó kerekei természetesen beblokkolnak és el is veszítik a tapadást. A hibát nem ismeri, így korrigálni sem tud, nem csökkenti a fékerőt. Amikor az autó a csúszás közben annyira lelassul, hogy az abroncsok visszanyerik a tapadási képességüket, az hirtelen, a sofőr számára meglepetésszerűen történik. Ekkor azonnal leveszi a lábát a fékről. Mindeközben persze a kormányt már befordította, csak éppen az autó a csúszó kerekek miatt nem tudott kanyarodni. A tapadás visszanyerésével és a fékpedál elengedésével az autó kanyarodni kezd ugyan, csak éppen nem a megfelelő szögben. Miért? Mert a csúszás közben nem kanyarodó autót úgy szerette volna emberünk kanyarodásra bírni, hogy a kormányt mégjobban eltekeri. Persze az autóra ez akkor -csúszás közben- nem volt túl nagy hatással. Amikor viszont a gumik visszanyerték a tapadást, a túlzott kormányszögnek megfelelően szeretne fordulni. Ehhez azonban az adott sebesség mellett nincs elég tapadás, így ismét tapadásvesztés jön létre, az autó nem fordul, hanem kifelé sodródik az ívről. Korrekció képen a vakmerő sofőr most ismét a fékre lép, amitől az autó eléri azt a sebességet, amivel már képes a kormánykerék szerinti ívnek megfelelő kerékfordulatra, így visszanyeri a tapadást és képes kanyarodni. Miután úgy érzi hogy a nehezén túl van, ideje megmutatni hogy mit is tud, és a kigyorsításhoz még kanyarodás közben padlógázt nyom. Ezzel persze az oldalirányú tapadási igényhez jelentős hosszirányú igény is hozzáadódik, amik így együtt ismét túllépik a tapadási határt, így füstölő gumikkal, keresztben hagyja el a kanyart, a saját és lelkes rajongói számára is rendkívül nagy örömmel. Körideje akár 10 másodpercekkel is több mint óvatos társáé, az anyagi kár pedig jelentős... jó esetben csak az autó, rosszabb esetben a pálya vonatkozásában is.

Tipp:
Mi a különbség a sportos (utcai) és egy versenyen szükséges vezetés között? Sportos vezetés esetén olyan gyorsan hajtunk, amennyire csak jólesik. Versenyen viszont olyan gyorsan kell menni, ami már egyáltalában nem kellemes, sőt kifejezetten megerőltető és egy idő után már kellemetlen is.

Érdekes jelenség amit a világon bárhol megfigyelhetünk a kezdő és a teljesen tehetségtelen amatőrök között, hogy a tanulási folyamatot pontosan fordított irányban végzik. A pályára elsőként felhajtva azonnal padlógázt nyomnak, már az első kanyarban kisodródnak és több kör megtétele után sem ismerik fel előre azokat a kanyarokat, ahol ezt minden egyes alkalommal megteszik. Az értelmesebbek pár ilyen kicsúszás vagy kör után felfogják hogy túl magas a sebesség, és hajlandóak azt csökkenteni. Ez néhány kanyar esetében elégséges is, de van ahol nem. Ott pár kör után mégis tovább csökkentik a sebességet és teszik mindezt addig amíg nem képesek végig a pályán maradni, vagy amíg az autójuk vagy a gumijuk tönkre nem megy.

Az értelmes kezdő ennek pont a fordítottját teszi. Első alkalommal lassan hajt körbe, próbálja kitapasztalni az autója és a saját képességeit. Ha képes volt egy kört pályaelhagyás nélkül teljesíteni, akkor a következő körben emel a tempón és addig folytatja, amíg a határhoz nem ér. Ezt jól meg is jegyzi, és a következő alkalommal a kérdéses kanyarokba már lassabban érkezik majd meg. Ezzel a módszerrel nem csak kényelmesebben, biztonságosabban és eredményesebben tanul, hanem a technikára is vigyáz. Költségei jelentősen alacsonyabbak lesznek, amit a későbbiekben az autó fejlesztésére, nem pedig a javításokra tud majd fordítani.

A vakmerő és az óvatos kezdő között a különbség, hogy az óvatos a tapadás határát csak 5-6%-al lépi át, így sokkal gyorsabban és egyszerűbben tud korrigálni. A vakmerő 10-20%-al is túllépi a határt, aminek a korrigálása nem csak 4x annyi időbe telik, de sokkal nehezebb is kivitelezni. Ilyenkor nagyon nehéz ráérezni, hogy mikor fogyott el a tapadás. A profi versenyzők általában 1-2%-al lépik át a határt, így tudnak folyamatosan gyorsak maradni. Óvatos kezdőként 5-6%-ról sokkal rövidebb idő alatt érhetünk le 1-2%-ra, mint a vakmerő 10-20%-ról, ami 10x 20x annyi mint kéne.

Tipp:
A vakmerőség szinte soha nem kifizetődő, még akkor sem ha Collin McRae azt javasolta, hogy ha bajban vagy a pályán, nyomjál padlógázt! Bár ezzel rengeteg rajongót szerzett, folyamatos balesetei miatt nagyon sok versenyt nem tudott befejezni, ezzel pedig 19 év alatt mindössze egyetlen világbajnoki címet szerzett.

A sorozat következő részében a középhaladó szint egy újabb fontos állomásához érkezünk el, ami már-már a profi szinthez közelít, ez pedig a súlypont áthelyezés témaköre.


Ha úgy érzed, hogy a fenti tippek sem biztosítottak számodra megfelelő köridőket, személyes tanácsadásra vagy oktatásra van szükséged, szeretnéd a fentieket balesetveszély és anyagi károk nélkül kipróbálni és begyakorolni, akkor várunk sok szeretettel a Vas Garázsban, a VAS-01 professzionális szimulátorral.






Referenciák:
https://en.wikipedia.org/wiki/Wunibald_Kamm
https://en.wikipedia.org/wiki/Colin_McRae