ЗНАКОМЬТЕСЬ: Трэкшн контроль

После впечатляющего успеха Ducati на MotoGP-2007, в то время как трэкшн контроль был запрещен в «Формуле-1» с 2008 года, обсуждение электронных систем обострилось. Итак, контроль тяги: да или нет?

В Италии дискуссии между противниками и сторонниками электронных систем управления в последние месяцы проходят очень бурно. Между тем, сразу же после завоевания чемпионского титула, Ducati запустила в производство модель 1098R, первый серийный мотоцикл компании, оснащенный весьма совершенной электронной системой контроля тяги, которая позволила заметно улучшить характеристики мотоцикла, в том числе безопасность. В мире мотоциклов темы, касающиеся эксплуатационных показателей новой модели, самые актуальные, и реакции не заставили себя ждать. Оппонентами нововведения неожиданно оказались самые опытные пилоты, которые привыкли держать все под контролем, утверждающие, что они потеряли возможность экстремально проходить повороты в максимальном наклоне на грани срыва. В итоге дискуссия о трэкшн контроле преобразовалась в глобальный вопрос «электроника на мотоцикле – да или нет?». В сотрудничестве с Департаментом электроники и информатики Миланского политехнического института мы в течение нескольких лет занимаемся анализом систем управления мотоциклов разных производителей.

Контроль тяги (трэкшн контроль, ТК) – это система контроля, которая призвана исключить проскальзывания ведущего колеса, соответственно, заставляя резину работать с наибольшей эффективностью, на максимуме ее сцепных свойств. Чтобы понять принцип действия этой системы, прежде всего необходимо прояснить, как функционирует шина ведущего колеса. Затем постараемся понять, что происходит при открытии ручки «газа», и где необходимо вмешательство электроники.

Потеря контакта… чуть-чуть Начнем с определения ключевого понятия – проскальзывания шины ведущего колеса. Величина проскальзывания – процентная разница между скоростью вращения колеса и реальной скоростью передвижения мотоцикла. Проще говоря, если движение происходит с небольшой скоростью и равномерно, можно считать, что проскальзывание равно нулю, потому что обе скорости практически совпадают. Когда, стоя на месте, жжет резину Валентино Росси после победного финиша, проскальзывание ведущего колеса составляет 100%. Все же самые интересные вещи находятся, как всегда, где-то посередине. В представлении мотоциклиста проскальзывание ведущего колеса – штука опасная, грозящая потерей управления и падением. В действительности, мы при каждом добавлении «газа», чтобы просто немного ускориться, вызываем небольшое проскальзывание. Так функционирует любая покрышка, преобразуя часть крутящего момента в поступательное движение мотоцикла, остальное – в скольжение.

Где предел, за которым незаметное проскальзывание начинает оказывать влияние на управляемость, и когда оно станет опасным? Многое зависит от свойств покрышки. У тех, кто хотя бы раз испытал на себе срыв колеса (например, попав на песочек или масляное пятно на асфальте), воспоминания о нем вызывают легкий озноб. Когда мотоцикл входит в «зону нестабильности», а у пилота не развит рефлекс мгновенного закрытия «газа», проскальзывание приближается к 100%, и как результат – потеря контакта с дорогой и падение. Таким образом, точка наибольшей эффективности резины является одновременно и точкой срыва в неконтролируемое скольжение. Только самые опытные пилоты способны безошибочно балансировать на этой грани, для остальных лучше держаться от нее на расстоянии.

Стоит упомянуть еще об одной серьезной вещи: работа «газом» в повороте - скольжение происходит не только в продольном направлении, но и в боковом, под действием центробежной силы. В повороте, при наклоне в 45°, боковая и продольная сила делится примерно пополам, то есть в продольном направлении эффективность покрышки снижается. Если же пилоту нужно пройти трассу на время, он должен начинать прибавлять «газ» немного раньше выхода из поворота, одновременно спрямляя траекторию. Однако в этом случае риск падения при срыве колеса и потере контакта еще выше, чем при прямолинейном движении.

Способность пилота балансировать на грани срыва покрышки, одновременно получая максимальную эффективность, скорее интуитивна, эти люди учатся на собственном опыте чувствовать, что происходит на нескольких квадратных сантиметрах зоны контакта колеса с асфальтом, когда они открывают или закрывают «газ». Некоторые из них способны «плавать» по поверхности дороги, тонко балансируя в точке временного равновесия.

«Гашетки» старые и новые Таким образом, кривую графика эффективности покрышки можно считать основным испытательным стендом для оценки чувствительности пилота. Но у нас есть еще пара вопросов: 1. Почему современные мотоциклы (даже без ТК) единодушно считаются более отзывчивыми на движение ручки «газа». 2. Принцип действия трэкшн контроля.

Итак, по порядку. В традиционном мотоцикле ручка «газа» напрямую, механически воздействует непосредственно на дроссельную заслонку, отмеряя порцию горючей смеси, в соответствии с которой двигатель генерирует крутящий момент, который напрямую, через трансмиссию, передается на ведущее колесо, и в зоне контакта шины с дорогой при помощи силы трения преобразуется в поступательное движение мотоцикла. Здесь все замыкается на пилота, и нет пропорциональной зависимости между причиной и следствием. По сути, нет никаких жестких линейных пропорций: отношение между положением ручки «газа» и потоком воздуха в коллекторе нелинейно, между потоком воздуха и моментом двигателя тоже. Наконец, проскальзывание сцепления и потери трансмиссии находятся в сложной зависимости от нагрузки, оборотов и скорости мотоцикла. И у кривой силы трения покрышки тоже есть свои хитрости, которые мы уже рассмотрели. Это настоящий ребус, который должен постоянно разгадывать пилот только с помощью своей головы, а чаще собственной задницей. Только талант и многолетний опыт создавали чемпионов, а дилетанты оставались вне игры.

Рассмотрим теперь «мотоцикл современный», оснащенный электронными системами управления двигателем и электронной ручкой «газа», но без трэкшн контроля: для примера можно взять мотоциклы MotoGP первых сезонов. Основное отличие от традиционных мотоциклов – отсутствие жесткой связи между ручкой «газа» и воздушной заслонкой, теперь это подобие джойстика от видеоприставки – передается только информация о том, сколько крутящего момента от мотора нужно пилоту в данный момент. Примерно так: «мотор, дай мне весь момент, на который ты способен» (ручка откручена полностью) или же «мотор, дай мне 40% твоего момента» (ручка «газа» повернута на 40%). Таким образом, под контролем электроники получается прямая и линейная связь между углом поворота ручки «газа» и крутящим моментом на выходе, практически без запаздывания. Система "drive-by-wire” значительно облегчила управление мощными мотоциклами, и связь между ручкой «газа» и проскальзыванием ведущего колеса стала более простой и линейной. Это в некоторой степени справедливо и для тех мотоциклов, которые не оснащены системой "drive-by-wire” (пока их большинство среди серийных): здесь воздушная заслонка имеет традиционный механический привод, но опережение зажигания и инжектор управляются электроникой, что позволяет сделать ответ двигателя на поворот ручки «газа» более линейным. Этот весьма значительный рывок вперед произошел в последние годы, но не был достойно оценен. Почему? Есть две причины: прежде всего, пилот продолжает держать под контролем крутящий момент и проскальзывание ведущего колеса. Факт, что благодаря электронике это стало проще, прошел незамеченным, потому что одновременно возросла мощность двигателей, и реализовать почти 200 «лошадей» нелегко. Старая гвардия немного побормотала, наблюдая, как вчерашние подростки, переходя из 250сс в GP, с первых тестов били прошлогодние рекорды.

Выдернуть пробку Итак, рассмотрим поведение гоночного мотоцикла, оснащенного трэкшн контролем. Контролирующая электроника при помощи датчиков вращения отслеживает проскальзывание ведущего колеса, сравнивая его скорость со скоростью переднего. Если пилот открывает «газ» недостаточно, он делает плохо свою работу, но система не вмешивается. Если же пилот ошибается и открывает «газ» слишком сильно, рискуя сорвать колесо, система берет управление тягой на себя, придерживая крутящий момент на уровне максимального проскальзывания ведущего колеса вблизи точки срыва. Но какой уровень проскальзывания оптимален в каждый момент? Электроника контролирует параметры скорости, наклона в повороте, условия контакта покрышки с дорогой. Самые передовые системы (как, например, на Ducati) вмешиваются в работу пилота очень деликатно, чтобы не создавать у него ощущения «оторванности» от управления. Этот способ может – как минимум теоретически – гарантировать максимальные эксплуатационные показатели при любых условиях. Но одновременно увеличивается риск реализовать спорную концепцию «автопилота»: в «Формуле-1» последних сезонов, чтобы идеально пройти поворот, пилоту было достаточно прижать педаль «газа» к полу и рулить, полностью полагаясь на электронные мозги автомобиля, которые определяли оптимальное проскальзывание, вычисляя необходимый крутящий момент каждую тысячную долю секунды. Так соревнование мастерства пилотов превратилось в соревнование мастерства электронщиков.

К счастью, у пилота мотоцикла осталось намного больше свободы в управлении, чем у пилота «Формулы-1», несмотря на то, что оба транспортных средства оснащены ТК. Причина очевидна: разработать адекватную систему контроля скольжения и алгоритм расчета оптимального проскальзывания для мотоцикла гораздо сложнее, чем для автомобиля. Если к этому добавляются ограниченный бюджет (по сравнению с «Формулой-1»), меньшая конкуренция среди инженеров и некоторые технологические пределы, то можно предположить, что электронный мозг еще не скоро превзойдет интуицию опытного пилота. Это основная причина, по которой большинство существующих систем ТК настроены таким образом, чтобы вмешиваться в действия пилота в самом крайнем случае, когда он допускает катастрофические ошибки в управлении, которые неизбежно приведут к падению.

Компромисс в борьбе человека и электроники впервые был предложен с появлением на рынке нового Ducati 1098R, в котором пилоту доступны восемь уровней вмешательства трэкшн контроля. Сам пилот выбирает уровень проскальзывания, при котором вмешивается электроника. Если настройки попали в цель, машина позволит пилоту ощутить себя чемпионом. Если установки окажутся заниженными, результаты будут далеки от совершенства, а если же завышенными, то никто не гарантирует, что следующий поворот не закончится на обочине. В общем, пока пилот может играть с электроникой, как ему удобно: устанавливает пределы своих способностей, за пределами которых мотоцикл управляет тягой сам. Пока что пилот принимает решения, а электроника их исполняет.

Назад в будущее Несомненно, однако, что рано или поздно способности электронных систем контроля вырастут настолько, что даже самые лучшие пилоты не смогут с ними соперничать, как это произошло с болидами «Формулы-1». Этот момент уже не за горами, по разным прикидкам, подобные системы появятся в ближайшие 3–5 лет. К чему это приведет? Конец соревнованиям, конец драйву? Кто знает…

На основе того, что мы рассмотрели, действительно хочется оставить пилоту побольше свободы решений, а на электронику возложить только решение и исправление его ошибок, по возможности без прерывания прямой связи между ручкой «газа» и мотором. Другой путь – дать пилоту управлять ручкой «газа» не двигателем, а напрямую проскальзыванием ведущего колеса, по совершенно другим алгоритмам, вместо «запроса максимального момента» – «запрос максимального проскальзывания колеса на грани срыва». Иными словами, пилот, поворачивая ручку «газа», требует уровень скольжения покрышки (примерно так: «мотор, дай мне столько крутящего момента, сколько нужно для 5% проскальзывания ведущего колеса»). Таким образом, от пилота не требуется больше «чувства асфальта» для оценки сцепления колеса с покрытием. С другой стороны, получается полностью «линейный» мотоцикл, с предсказуемым поведением, понятный даже не очень искушенному пилоту. На таком мотоцикле можно показывать неплохое время на круге, не слишком рискуя. Однако уровнять просто хорошего пилота и чемпиона электроника вряд ли сможет. До сих пор ни один пилот не выразил желания иметь ручку «газа», которая управляет не двигателем, а проскальзыванием ведущего колеса, и системы ТК пока далеки от совершенства. Для начинающих мотоциклистов наличие ТК безусловно повышает безопасность, но может затормозить рост их мастерства.

Реалистичный сценарий? Вполне, но чтобы добиться компромисса в контроле скольжения ведущего колеса, еще предстоит решить ряд непростых конструкторских задач. Главные трудности нам видятся в том, чтобы вмешательство электроники было незаметным, а электронная ручка «газа» давала чувство обратной связи, чтобы пилот ни при каких обстоятельствах не чувствовал себя оторванным от управления. Основная задача – создать систему помощи пилоту в управлении мощной и сложной машиной, чтобы он мог полностью использовать весь ее потенциал на пределе возможностей (но не более), и достигнуть максимальных показателей.

Реалистичность поставленных задач уже доказана недавно появившимися истребителями последнего поколения. Эти машины построены по принципу "fly-by-wire”: пилот принимает решение куда лететь, а электроника сама управляет исполнительными механизмами и аэродинамическими плоскостями, чтобы оптимально выполнить маневр. Сравнение с самолетом неслучайно: на сегодняшний день только электронные системы контроля позволяют пилоту реализовать все способности машины, у которой характеристики превосходят человеческие возможности управления. В итоге электроника контролирует не только технику, но и действия человека, не позволяя ему совершать фатальных ошибок. ТК – одна из таких систем. Итак, полный «газ», увидимся после полета!