Снова Кастер. Изучаем и эксперементируем.

Кастером (Caster) или углом продольного наклона называется выраженное в градусах отклонение оси поворота управляемого колеса к вертикали, если смотреть на автомобиль сбоку. Угол этот также может быть положительным и отрицательным и влияет на курсовую устойчивость, поворачиваемость и возврат рулевого колеса в ИП (Исходное Положение).

Положительный угол наклона обеспечивает возврат к прямолинейному движению после прохождения поворота, а также повышает курсовую устойчивость автомобиля. Превысив положенный лимит, чрезмерно большой угол кастера приведёт к сильно возросшему усилию на рулевом колесе и ухудшению сглаживания неровностей дорожного полотна. На скорости может возникнуть эффект «вобблинга» (wobbling) или нарастающие колебания колеса по причине большой склонности к возврату «руля» в ИП, для гашения которых применяются специальные амортизаторы в рулевом управлении. Вообще, чрезмерный угол кастера (от вертикали) приводит к сильному износу боковин покрышек в поворотах (на рис. - красная зона покрышки). 

В измерениях, помимо заданных допусков установки колёс, также присутствует кросс-кастер – разница между значениями углов левого и правого колеса. Автомобиль уводит в сторону наименьшего кастера при значении «кросса» более 0.50°. Кросс-кастер больших значений используется в специфических видах гонок с интенсивным односторонним постоянным боковым ускорением.

Крутой угол кастера (более вертикальный положительный)

Увеличивает поворачиваемость при накате и торможении на входе в поворот.
Почему? Представьте, что угол кастера является вертикальным. Теперь представьте, что вы поворачиваете, колеса поворачиваются на сторону. Чем более вертикальный угол кастера, тем больше колеса отклоняются на сторону, обеспечивая вам более крутой заход в поворот.

Увеличивает эффективность подвески.
Почему? Внутренние шарниры подвески, для целей дискуссии, расположены параллельно шасси (горизонтально), это означает, что рычаги подвески перемещаются вверх и вниз вертикально. Теперь, представьте, что угол кастера вертикален, это означает, что ось поворота колеса параллельна направлению движения рычагов подвески. И наконец, допустим, что амортизаторы выровнены в вертикальной плоскости (верхняя часть не выступает вперед или назад относительно нижней части), расположены перпендикулярно продольной оси автомодели. Поскольку неровности на поверхности трассы вызывают вертикальное отклонение колес, чем более вертикально ориентирован узел поворота колес, тем лучше передняя подвеска поглощает ухабы без излишнего трения в подвеске.

Уменьшает поворачиваемость при ускорении на выходе из поворота.
Почему? Когда вы увеличиваете мощность на выходе из поворота, происходит перенос веса от передних колес к задним колесам. Чем более вертикален угол кастера, тем меньше эффективное изменение развала колес, поэтому ТОЛЬКО статический развал внешних колес определяет насколько хорошо колеса цепляются за поверхность. Поскольку колеса не могут эффективно цепляться за поверхность, снижение веса спереди вызывает более легкую потерю сцепления, вызывая недостаточную поворачиваемость автомодели.

Снижает самоцентрирование колес.
Почему? Представьте, что угол кастера вертикален. Теперь представьте, что вы держите передний край колеса и перемещаете его из стороны в сторону. Колесо отклоняется отклоняется пропорционально тому, как вы перемещаете его руками. Вертикальный кастер крайне нестабилен, так как отсутствует сила, которая принуждает колеса поддерживать прямое направление.

Пологий угол кастера (более наклонный)

Уменьшает поворачиваемость при накате и торможении на входе в поворот.
Почему? Представьте, что угол кастера настолько велик, что он является горизонтальным (хотя это невозможно). Теперь представьте, что вы поворачиваете, колеса не будут поворачивать на сторону, но скорее верхняя часть колес будет наклоняться из стороны в сторону. Чем больше наклонен угол кастера, тем меньше колеса отклоняются на сторону, обеспечивая менее крутой заход в поворот.

Увеличивает поворачиваемость при ускорении на выходе из поворота.
Почему? Чем больше наклонен угол кастера, тем больший эффективный развал вы получите, когда поворачиваете передние колеса. Когда вы увеличиваете мощность на выходе из поворота, происходит перенос веса от передних колес к задним колесам. Обычно это будет вызывать потерю сцепления передних колес и недостаточную поворачиваемость. Однако, поскольку присутствует больший эффективный развал из-за более наклонного угла кастера, "наклоненные" передние колеса могут более эффективно цепляться за поверхность, позволяя автомодели лучше сопротивляться центробежной силе, и обеспечивают большую величину контроля при выходе из поворота.

Увеличивает самоцентрирование колес, но снижает стабильность на прямых участках.
Почему? Представьте передние колеса магазинной тележки (которые обладают очень наклонным кастером). Толкните тележку вперед, передние колеса будут всегда стремиться самоцентрироваться. Чем больше наклон угла кастера, тем больше рулевое управление будет стремиться вернуть себя в среднее положение. Однако, чем больше наклон угла кастера, тем больше величина силы, которая стремиться выровнять колеса. В конце концов, сила становится настолько большой, что колеса начнут вибрировать (колебаться), снижая стабильность на прямых участках.

Но вернемся непосредственно к практике. Теория теорией, но нас, как любителей именно гонок, в большей степени интересует поведение машины на трассе, а не расчет формул с глубоким погружением в океан цифр)

Для тестов выбрали "Самару" ВАЗ-2114, так как большинство современных иномарок не обременяет владельца диапазоном и выбором регулировок. Там все параметры заложены заводом-изготовителем и повлиять на них без конструктивных переделок достаточно сложно. Так что для наших изысканий российский автомобиль оказался предпочтительнее.

Вот он - новенький ВАЗ-2114, только что прошедший предпродажную подготовку. Короткое путешествие выявляет неожиданно "легкий" руль и при этом довольно-таки бесхарактерное поведение автомобиля на дороге. Посему первым делом - на стенд "схода-развала", дабы оценить, что же получает потребитель в магазине. Замеры несколько настораживают, хотя основные параметры находятся в поле допуска, за исключением продольного угла наклона оси поворота левого колеса (кастера). Похоже, и на заводском конвейере думают больше об износе шин, нежели о ездовых качествах машины. Что же, меняем заводские регулировки на задуманные.

Применительно к передней подвеске отечественного переднеприводного автомобиля установка углов всегда начинается с регулировки кастера. Именно этот параметр, с одной стороны, служит определяющим для остальных, а с другой - в меньшей степени сказывается на износе шин и прочих нюансах, связанных с качением автомобиля. Более того, данная операция наиболее трудоемка - думается, именно поэтому о ней "забывают" на заводе. Только потом, разобравшись с продольными углами, грамотный мастер начинает регулировать развал, а затем и схождение колес.

Вариант 1.

За что же отвечает кастер? Озадачиваем оператора просьбой максимально "испортить" углы продольного наклона стоек, уведя их в "минус". Визуально мы как бы сдвигаем передние колеса назад, к брызговикам колесных ниш. Ситуация, довольно часто встречающаяся на старых и сильно "уезженных" машинах либо после установки проставок, поднимающих заднюю часть транспортного средства. После стенда катится автомобиль гораздо лучше, чем в "заводском" варианте, однако что-то в его поведении настораживает. По отдельности все вроде бы неплохо: легкий руль, быстрые отклики на его малейшие отклонения, хорошая стабильность на прямой. Однако скоро понимаешь - "Самара" стала излишне нервной и вертлявой, что особенно заметно после 80-90 км/ч. Она пугает нестабильностью откликов при входе в поворот (необязательно быстрый). Автомобиль так и норовит рыскнуть куда-то в сторону, требуя от водителя постоянного подруливания. Ситуация еще более осложняется при выполнении маневра "переставка". Тут становится очевидным, что в нештатные ситуации на этом варианте лучше не попадать - точно сработать рулевым колесом вряд ли получится. Поняв это, вновь отправляемся на регулировочный стенд.

Вариант 2.

Казалось бы, никаких серьезных вмешательств в подвеску - просто убраны лишние шайбы, мешавшие колесам занять "правильное" положение (стойки наклонены в "плюс"), выставлены в "ноль" и углы схождения и развала. То, что характер ВАЗ-2114 изменился, чувствуешь почти сразу по рулевому колесу, ставшему упругим и отменно информативным. Конечно, физические усилия выросли, но про них очень быстро забываешь, ощутив настоящий характер машины. Словно невидимая рука удерживает ее на полотне дороги, заставляя ехать не только четко, понятно, но и правильно. Куда-то ушли вертлявость, невнятные взаимосвязи и траекторные рыскания - "четырнадцатая" вдруг стала очень удобным в управлении автомобилем, над доводкой которого не зря поработали когда-то специалисты "Порше". Специальные маневры только укрепляют наши первоначальные ощущения: на "переставке" ВАЗ, что называется, поехал, легко и непринужденно опередив предыдущий вариант. Честно говоря, вмешиваться в достигнутый результат уже не хочется - настолько он логичен. Но условия эксперимента обязывают.

Вариант 3.

Помня о заводских "настройках", решаем "испортить" развал, сделав его излишне положительным. Увы, изменять его без коррекции схождения нежелательно, посему закладываем в схему еще и положительное схождение. Надо признаться, на первых порах изменения в поведении машины не столь разительны. Опять "полегчал" руль, стали ленивее отклики на входе в поворот, увеличилась боковая раскачка кузова. Но никаких катастрофических ухудшений в характере - к нюансам приспосабливаешься довольно быстро. Однако стоит слегка выйти за рамки дозволенного и смоделировать экстремальную ситуацию, как "чувство локтя" мгновенно теряется. С появлением скольжений неожиданно рано осложняется попадание в заданный коридор на "переставке" и машина, казавшаяся послушной, вдруг сдается задолго до заветных пределов. Да и поведение в быстрых поворотах выглядит не лучшим образом - доминируют сильнейшие проскальзывания передней оси.

Спортсмены ставят себе кастер 5 и более (благодаря изменению точек крепления опор двигателя и коробки передач), но мы находимся в рамках здравого смысла. А он обычно диктует, что регулярная замена «гранат» — не лучший способ получать удовольствие от обладания автомобилем. А вот на «Мерседесах», например, кастер устанавливается на отметке 10-12 градусов, поэтому их крейсерское стремление к прямолинейному движению никем не ставится под сомнение. Задний привод позволяет так «валить» колеса вперед.

Вариант 4.

В данном случае приходится вспомнить о собственных спортивных амбициях: "уголки"-то мы закладываем соответствующие. Кругом в "минус", за исключением уже выбранного кастера. И "четырнадцатая", словно заразившись азартом эксперимента, с первых секунд общения стремится продемонстрировать собственное "я". Казалось бы, вот он - знакомый, "тарированный" поворот, в который полчаса назад и на восьмидесяти было страшновато заезжать. А теперь, после последней регулировки машина допускает и 100, и 110 км/ч, словно подстегивая: "Давай еще, я могу, у меня получается!" И уже трудно удержаться от бесконечных провокаций; когда обычный ВАЗ вдруг поехал, словно настроенный гоночный снаряд, вызывая чувство восхищения. Конечно, вновь стало весьма весомым усилие на баранке, но в остальном - отлично! Маневр "переставка" только подтверждает это. Отсюда и лучший результат.

Так обычные или спортивные?
Ответ, какие будем делать углы, очевиден - правильные. Этим экспериментом мы лишь слегка приподняли завесу таинственности, укрывающую от рядового ездока цель и смысл регулировки углов установки колес. Оказывается, есть масса достаточно простых и при этом весьма эффективных способов менять характер автомобиля, не прибегая к дорогостоящим заменам узлов и деталей. Главное, не пренебрегать второстепенными, на первый взгляд, регулировками - зачастую они оказываются очень важными.

Но какому же из вариантов отдать предпочтение? Думаю, для большинства весьма приемлемым окажется второй. Он наиболее логичен для повседневной езды, причем как с частичной, так и с полной нагрузкой. Надо лишь учитывать, что, увеличивая продольный наклон стойки, вы не только улучшаете поведение машины, но и повышаете стабилизирующее (возвратное) усилие на руле. Посему не перестарайтесь.

Последний, наиболее "быстрый" вариант настройки больше подходит околоспортивной публике, любящей поимпровизировать с автомобилем. Отдавая предпочтение данным регулировкам, надо учитывать, что с увеличением нагрузки значения углов схождения и развала будут возрастать и могут выйти за допустимые рамки.

Обращаясь к опыту спортсменов, нельзя не вспомнить кольцевые автомобили, с колесами, «разваленными» до полного «домика». Оно и не мудрено — угол развала колес на них достигает -6-7°, что позволяет лучше прописывать траекторию (правда, резина при этом выживает только одну гонку).У нас все не так экстремально, но один негативный аспект присутствует: при интенсивном разгоне ведущие колеса заворачиваются внутрь. Чтобы понять это на практике, можно предложить любому желающему сесть на велосипед или мотоцикл и попробовать, слегка наклонив аппарат вбок, поехать прямо. Эффект очевиден — «двухколесное» будет упрямо стремиться повернуть в сторону наклона.

Итак, подведем итоги. Отрицательный кастер имеет право на существование, но строго в узком диапазоне применения. 90% отдаем на откуп положительному кастеру. 

Меньший положительный угол кастера (более вертикально, но в плюсе)
Уменьшает стабильность на прямых участках.
Увеличивает поворачиваемость на входе в поворот.
Уменьшает поворачиваемость в середине и на выходе из поворота.

Больший положительный угол кастера (более наклонно, но тоже в плюсе)
Увеличивает стабильность на прямых участках.
Уменьшает поворачиваемость на входе в поворот.
Увеличивает поворачиваемость в середине и на выходе из поворота.

Отрицательный угол кастера (более наклонно, но уже в минус)

Увеличивает стабильность на прямых участках.
Острое рулевое управление, высокая информативность.
Уменьшает поворачиваемость на входе в поворот.
Уменьшает поворачиваемость в середине и на выходе из поворота.
Крайне нестабильное и нервное поведение машины в поворотах вообще.

Заметьте, что в зависимости от поверхности трассы и жесткости шин, эти эффекты могут различаться в том, что вы можете обладать большей поворачиваемостью с большим кастером. Это особенно справедливо для трасс с высоким сцеплением и/или для мягких шин.

ЗЫ: Фото были обработаны в условиях крайнего цейтнота, поэтому заранее не обессудьте - главное было донести суть. Но вообще, на 14, равно как и на всем семействе "зубил" с 2108, кастер регулируется тягой снизу, при неподвижном опорном подшипнике сверху)

Непосредственно эксперимент был опубликован здесь.