С самых ранних дней автогонок были предприняты попытки спроектировать автомобили, которые будут идти быстрее и лучше работать. Разницу между выигрышем и проигрышем можно часто измерять в доли секунды. Избыточный вес может привести к более медленным временам, но угол носа автомобиля и способность автомобиля «придерживаться» кривых также имеют решающее значение для производительности. Весоизмерительные ячейки могут помочь оптимизировать производительность, и в настоящее время они используются во всей отрасли автогонок от NASCAR до IHRA.
Проще говоря, тензодатчик представляет собой датчик, использующий технологию тензодатчиков. Когда применяется сила, она вызывает деформацию или движение, которые можно измерить. Освобождение силы также приводит к измеримому изменению. Однако сами весоизмерительные ячейки являются пассивными механическими устройствами, и они должны быть связаны со вторым устройством, таким как компьютер или цифровой дисплей, для создания значимых данных.
Чтобы понять, как весоизмерительные ячейки могут оказаться полезными для гоночных автомобилей, рассмотрим некоторые основные законы физики. Третий закон движения Ньютона гласит, что всякий раз, когда применяется сила, в противоположном направлении создается равное количество силы. Возможно, наиболее очевидным примером реального мира, с которым знакомы большинство людей, является то, что происходит с пассажирами автомобиля во время экстренного торможения, обычно называемым остановкой паники. Когда импульс автомобиля арестован, тела пассажиров продолжают двигаться вперед с прежней скоростью. Это соответствует второму закону Ньютона - что объекты в движении, как правило, остаются в движении, если не встречается внешняя сила. Однако, как только импульс движения пассажиров будет остановлен, их тела будут вынуждены отступить с той же силой, что и они. Второй закон физики, связанный с тензодатчиками для гонок, - это концепция центростремительной или внутренней силы. Рассмотрите пассажиров в автомобиле, который делает правый поворот с высокой скоростью. В свою очередь, они будут чувствовать, что их перемещают влево. На самом деле их тела пытаются продолжить движение по прямой (второй закон Ньютона), что уже невозможно, поскольку сам автомобиль занял новое направление. Хотя применимы и другие свойства физики, а также математика за такими факторами, как угол поворота в сторону по отношению к скорости, мало что можно получить, обсудив их на этом этапе. Два приведенных примера достаточно, чтобы понять, что происходит с гоночным автомобилем на высоких скоростях, и почему весоизмерительные ячейки могут помочь инженерам повысить производительность. Однако следует отметить, что центр тяжести автомобиля и крутящий момент на задней оси играют важную роль в поддержании носа автомобиля, что, в свою очередь, позволяет немного увеличить скорость.
Законы физики обсуждались, чтобы дать понять, почему гоночные автомобили иногда выкручиваются или скользят сбоку на кривых. Колеса поворачиваются, но шасси хочет продолжить движение по прямой. Даже если водитель сохраняет контроль над транспортным средством, драгоценные миллисекунды могут быть потеряны. Если водитель должен затормозить перед входом на поворот, может потеряться еще больше времени.
Другая (но связанная) проблема существует, когда автомобиль сталкивается с ударом в тротуаре. Шок и пружины сжимаются, чтобы смягчить резкость, но затем они возвращаются назад. Если удар был суровым, итоговый отскок может задержать нос автомобиля даже выше, чем до удара. Сохранение носа автомобиля, приклеенного к дорожке (образно говоря), было целью с самых ранних дней гонок, поскольку оно увеличивает скорость.
Весоизмерительные ячейки позволяют инженерам измерять вес, поддерживаемый каждой шиной, и движение каждого колеса во время фактических операций. Данные могут показать, как шасси реагирует на различные скорости, удары, жесткое торможение и повороты. Это позволяет инженерам вносить изменения - иногда чрезвычайно небольшие изменения - для повышения производительности.
Пример исследования может дать дополнительную информацию. Команда Cornell Racing FSAE использует весоизмерительные ячейки для оптимизации производительности. Конкурс Formula SAE проводится ежегодно, в нем участвуют 140 школ и 12 стран. Команда Корнелла занимает 10 место практически каждый год, а Корнелл семь раз выигрывает чемпионат мира.
Команда выбрала весоизмерительные ячейки MLP-1k измерительной техники для измерения сил, действующих на каждый из углов автомобиля и тензодатчика CSP-3k, для измерения сил, которым подвергалась подсистема привода. Собранные данные позволили команде улучшить систему подвески, неподрессоренные детали и многочисленные зоны в составном моноподе. Это также позволило точно определить усталость жизни компонентов привода. В результате команда разработчиков смогла побрить вес со всех четырех областей. (Видео-интервью с тремя членами команды Cornell доступно, нажав на эту ссылку.)
Хотя гоночные автомобили в основном используют весоизмерительные ячейки для систем подвески, инженеры в настоящее время используют или испытывают весоизмерительные ячейки для других областей. Многие драгеры оснащены тензодатчиками колесных пар, чтобы измерить силы запуска, действующие на колесико. Весоизмерительные ячейки могут измерять силу, оказываемую водителем на передачу, чтобы определить, как это относится к износу коробки передач. Тормоза - это еще одна область, которая может использовать весоизмерительные ячейки, поскольку тормоза в гоночном автомобиле реагируют на давление, оказываемое водителем, а не на движение педали. Несомненно, гоночные инженеры будут продолжать открывать новые возможности использования весоизмерительных камер для оптимизации производительности.