Nowe supersamochody osiągają prędkość 100 km/h w zaledwie dwie sekundy, wykorzystując duże silniki elektryczne, napęd na wszystkie koła i zaawansowane systemy kontroli trakcji. Błyskawiczne przyspieszenie umożliwiają także lekkie materiały oraz inteligentne zarządzanie momentem obrotowym. Za pomocą tego auta te oferują niesamowite osiągi, choć wymagają precyzji, odpowiednich opon i dużych umiejętności kierowcy.
Supersamochód nie przyspiesza do 100 km/h wyłącznie dzięki mocy silnika. O wyniku decyduje zdolność przeniesienia tej mocy na asfalt w bardzo krótkim czasie.
Ograniczeniem staje się przyczepność opon, a nie liczba koni mechanicznych widoczna w danych technicznych. Konstruktorzy muszą więc zestroić ogumienie, napęd, aerodynamikę, zawieszenie i elektronikę tak, aby koła pozostały na granicy kontrolowanego poślizgu. Tekst zainteresuje osoby analizujące osiągi aut sportowych, a także kierowców, którzy chcą rozumieć, skąd bierze się spektakularna trakcja modeli Ferrari, Porsche, Lamborghini czy McLarena.
Podczas startu masa samochodu przenosi się ku tylnej osi. Zwiększa to nacisk na tylne koła, lecz równocześnie odciąża przednie.
Właśnie dlatego napęd na tył może zapewniać świetne wyniki, jeśli konstruktorzy odpowiednio rozłożą masę i bardzo dokładnie dozują moment obrotowy. Napęd na wszystkie koła daje dodatkową przewagę, ponieważ siła napędowa trafia na większą liczbę opon, zmniejszając ryzyko ich zerwania przyczepności.
Elementy decydujące o skutecznym starcie
Na przyspieszenie od zera do setki wpływa równocześnie siedem powiązanych elementów:
- Ogumienie – szerokie, niskoprofilowe opony UHP albo specjalistyczne półslicki mają miękką mieszankę i sztywną konstrukcję. Zapewniają dużą powierzchnię kontaktu z nawierzchnią, choć wymagają odpowiedniej temperatury.
- Napęd AWD – aktywny rozdział momentu między osie ogranicza buksowanie i pozwala wcześniej wykorzystać potencjał jednostki napędowej.
- Launch control – procedura startowa dobiera obroty, ciśnienie doładowania, pracę sprzęgła oraz zmianę przełożeń, aby kierowca nie musiał dozować parametrów metodą prób.
- Elektroniczna kontrola trakcji – szybkie sterowanie przepustnicą, zapłonem, hamulcami i dyferencjałami utrzymuje poślizg w wąskim, efektywnym zakresie.
- Dyferencjał o aktywnym sterowaniu – przekazuje więcej momentu na koło mające lepszy kontakt z nawierzchnią, szczególnie przy nierównomiernym obciążeniu osi.
- Rozkład masy – silnik umieszczony centralnie lub za kabiną poprawia dociążenie osi napędowej i ogranicza niepożądane odrywanie kół.
- Aerodynamika – docisk generowany przez splittery, dyfuzory i aktywne skrzydła zwiększa nacisk opon na asfalt wraz ze wzrostem prędkości.
Elektronika, opony i nawierzchnia
Najwyższą wartość w pierwszej fazie startu ma mechaniczna przyczepność opon, ponieważ przy zerowej prędkości aerodynamiczny docisk jest niewielki.
Dopiero po ruszeniu skrzydła i podłoga zaczynają wyraźnie zwiększać nacisk. Układ sterowania musi wtedy płynnie zmniejszać ograniczenia, aby nie odebrać silnikowi pełnego potencjału.
Architektura napędu elektrycznego w supersamochodzie
Nowe supersamochody dość często wykorzystują parę silników elektrycznych zamiast jednego zespołu napędowego połączonego mechanicznym wałem. Najbardziej zaawansowane konstrukcje mają osobny silnik przy każdym kole tylnej osi oraz dodatkową jednostkę z przodu.
Taki układ umożliwia napęd na cztery koła bez klasycznego mechanizmu różnicowego, skrzyni rozdzielczej i ciężkich półosi łączących odległe elementy. Silnik elektryczny rozwija maksymalny moment obrotowy niemal natychmiast po rozpoczęciu pracy. Nie potrzebuje turbosprężarki, wysokich obrotów ani wielostopniowej zmiany przełożeń, aby wygenerować potężną siłę napędową. Ograniczeniem są przyczepność opon, możliwości falownika, temperatura uzwojeń oraz zdolność akumulatora do dostarczenia odpowiednio wysokiego prądu. W supersamochodzie sama wartość momentu nie decyduje o osiągach; tak samo ważne jest to, jak bardzo dokładnie można nim zarządzać.
Sterownik analizuje prędkość obrotową każdego koła, kąt skrętu kierownicy, przeciążenia i położenie pedału przyspieszenia.
Na tej podstawie obojętnie zmienia prąd zasilający poszczególne silniki. W efekcie samochód może ograniczyć poślizg jednego koła, zwiększyć siłę napędową koła znajdującego się po zewnętrznej stronie zakrętu albo częściowo odłączyć przednią oś w czasie spokojnej jazdy. Zmniejsza to straty energii i pozwala zachować bardziej naturalne zachowanie pojazdu.
Jak rozdział momentu wpływa na prowadzenie?
Elektroniczne wektorowanie momentu obrotowego zastępuje część funkcji tradycyjnego mechanizmu różnicowego. Przy wyjściu z zakrętu system może skierować większy moment na koła mające lepszą przyczepność.
Gdy reakcja układu jest wystarczająco szybka, samochód zachowuje stabilność bez gwałtownego ingerowania hamulców.
Dlaczego ogromny moment wymaga ograniczeń?
Silniki elektryczne mogą generować wartości momentu, których nie byłaby w stanie efektywnie wykorzystać konwencjonalna opona. Zbyt agresywne podanie mocy prowadziłoby do natychmiastowego zerwania przyczepności, przeciążenia przekładni i gwałtownego zużycia bieżnika. Dlatego elektronika często stosuje profil narastania momentu: przy niskiej prędkości ogranicza jego przyrost, a następnie stopniowo zwiększa dostępne wartości wraz z poprawą warunków trakcyjnych.
Napęd na cztery koła poprawia start z miejsca, lecz także stabilność w czasie przyspieszania na wyjściu z zakrętu. Przedni silnik może pełnić funkcję aktywnego balastu, korygując zachowanie nadwozia szybciej niż klasyczny układ mechaniczny. W tym samym momencie dodatkowe jednostki, falowniki i przewody zwiększają masę, a akumulator wymaga wydajnego chłodzenia. Wysoka moc chwilowa nie może być utrzymywana bez końca: temperatury uzwojeń i ogniw wymuszają czasowe ograniczenie osiągów. W zaawansowanych modelach stosuje się silniki synchroniczne z magnesami trwałymi lub jednostki z uzwojeniem wzbudzanym. Pierwsze umożliwiają wysoką gęstość mocy, drugie mogą redukować straty w czasie jazdy ze stałą prędkością.
Ostateczna charakterystyka supersamochodu wynika więc z połączenia mocy silników, przełożeń redukcyjnych, przyczepności ogumienia, chłodzenia i oprogramowania sterującego. Przy gwałtownym starcie supersamochód musi zamienić ogromny moment obrotowy na przyspieszenie, nie dopuszczając do nadmiernego poślizgu kół.
Rozkład sił i działanie opon w czasie startu supersamochodu
Po wciśnięciu pedału przyspieszenia masa samochodu przemieszcza się ku tyłowi.
Zwiększa się nacisk na tylną oś, jednak przednie koła zostają częściowo odciążone. Zjawisko to poprawia trakcję samochodów tylnonapędowych, lecz może pogorszyć ich sterowność przy starcie. W modelach z napędem na wszystkie koła moment jest rozdzielany między osie zależnie od przyczepności, prędkości obrotowej kół i kąta skrętu. O przyczepności decyduje przede wszystkim kontakt opony z nawierzchnią. Opona przeznaczona do supersamochodu pracuje w wąskim zakresie poślizgu, w którym zapewnia maksymalną siłę napędową. Zbyt mały poślizg oznacza niewykorzystanie potencjału, a zbyt duży prowadzi do buksowania i gwałtownego spadku efektywnego przyspieszenia.
Elektronika nie tworzy przyczepności – jedynie pozwala możliwie bardzo dokładnie wykorzystać ograniczony zapas tarcia.
Na skuteczność startu wpływają między innymi:
- temperatura bieżnika i mieszanka gumowa opony,
- rodzaj oraz wilgotność nawierzchni,
- rozkład masy i chwilowy transfer obciążenia,
- strategia sterowania momentem obrotowym.
System launch control synchronizuje obroty silnika, moment zasprzęglenia, zmianę biegów i pracę kontroli trakcji. W samochodach z dwusprzęgłową skrzynią biegów procedura startowa może utrzymywać silnik w zakresie najwyższej dostępnej mocy, równocześnie ograniczając moment, gdy czujniki wykryją utratę przyczepności.
Ważne są także aktywne mechanizmy różnicowe i wektorowanie momentu. Potrafią przekazać większą część napędu kołu o lepszym kontakcie z podłożem, ograniczając uślizg wewnętrznego koła. Aerodynamika przy bardzo małej prędkości ma mniejsze znaczenie niż masa i opony, ponieważ docisk rośnie wraz z kwadratem prędkości. Dlatego aktualne supersamochody osiągają najlepszy start dzięki integracji układu napędowego, zawieszenia, elektroniki i odpowiednio rozgrzanego ogumienia.
Moment obrotowy z silnika trafia na asfalt wyłącznie przez niewielką powierzchnię styku czterech opon.
W supersamochodzie jej znaczenie jest szczególne, ponieważ napęd może generować ponad 1000 Nm, a koła obracają się przy bardzo dużych prędkościach. Siła napędowa powstaje dzięki tarciu między mieszanką gumową a nawierzchnią. W uproszczeniu zależy od momentu przyłożonego do koła, jego promienia oraz pionowego obciążenia opony: (F = T/r), przy czym granicę wyznacza przyczepność kontaktu z asfaltem. Opona nie działa jak sztywne koło. Jej bieżnik i osnowa odkształcają się, tworząc tak zwany poślizg wzdłużny. Gdy koło obraca się minimalnie szybciej niż wynikałoby to z prędkości samochodu, gumowe klocki są ścinane i „wgryzają się” w mikronierówności nawierzchni.
Zbyt duży poślizg powoduje jednak przegrzanie, rozmazywanie mieszanki i utratę trakcji. Najszybsze przyspieszenie uzyskuje się nie przy zerowym poślizgu, lecz w bardzo wąskim zakresie kontrolowanego uślizgu.
Jak opony supersamochodów przenoszą moment obrotowy na asfalt?
O skuteczności decyduje specjalistyczna mieszanka, temperatura pracy, ciśnienie i konstrukcja karkasu. Opony homologowane do modeli wyczynowych mają często asymetryczny bieżnik, sztywne opasanie oraz szerokie barki, które ograniczają deformację w czasie gwałtownego przekazywania napędu.
Co ogranicza przenoszenie momentu na koła?
Największym przeciwnikiem jest odciążenie osi napędzanej. Podczas startu nadwozie unosi przód, a nacisk przesuwa się na tylne koła.
W samochodzie z napędem na tył właśnie wtedy łatwo przekroczyć granicę przyczepności, nawet przy bardzo szerokich oponach. Konstruktorzy wykorzystują więc długie, niskie profile, odpowiednio sztywną ścianę boczną i mieszanki o wysokiej obecności elastomerów przylegających do suchego asfaltu.
Znaczenie ma także aerodynamika. Dyfuzor, splitter i aktywne skrzydło zwiększają docisk wraz z prędkością, podnosząc maksymalną siłę tarcia bez proporcjonalnego wzrostu masy. Elektroniczna kontrola trakcji analizuje prędkość każdego koła, moment silnika oraz poślizg i redukuje moc w milisekundach. W napędzie AWD sterowanie rozdziela także moment między osie, aby każda opona pracowała blisko dobrego zakresu przyczepności. Dlatego przenoszenie momentu obrotowego na asfalt przez opony supersamochodów jest efektem współpracy gumy, zawieszenia, aerodynamiki i elektroniki, a nie samej szerokości bieżnika.
