Неподрессоренная масса на что влияет
Вред не подрессоренных масс и о значении веса для дисков.
Мы знаем, что чем легче авто, тем лучше. И бензина меньше уходит, и вообще жизнь становится радостнее и беззаботнее. Но мало кто знает, что масса массе рознь. Есть масса подрессоренная — это всё, что «лежит» на подвеске и воспринимается ею. Неподрессоренная же — это сами колёса с шинами, ступицы и тормозные барабаны с дисками и суппортами. Надо сказать, что мировые стандарты в определении подрессоренных-неподрессоренных масс не всегда сходятся. В частности, согласно немецкому стандарту DIN, к неподрессоренным массам относятся ещё и элементы подвески: рычаги, рессоры и пружины с амортизаторами. Что, в общем-то, логично. А вот торсионные валы — это уже подрессоренные. Но самое интересное, что стабилизатор поперечной устойчивости вышел совершенным маргиналом — половина его массы подрессоренная, а другая нет. Поэтому для каждой конкретной модели выявить соотношение масс можно лишь на специальных стендах, прибегнув к сложным расчетом. Зачем это нужно?
Дело в том, что самое важное — это соотношение подрессоренной и неподрессоренной масс. От него, к примеру, зависит плавность хода. Чем больше неподрессоренная масса, тем хуже плавность хода. Именно поэтому старые машины на тяжеленных колёсах и шкворневых подвесках этой самой плавностью не отличаются. Знакомая, наверное, многим картина: как только багажник оказался хорошо загружен — плавность хода увеличивается. Это именно за счёт изменения соотношения подрессоренных и неподрессоренных масс.
Наверное, не нужно быть Эйнштейном, чтобы понимать действие инерционных сил на автомобиль. Именно им мы обязаны всевозможными заносами и сносами. Но важно не только это. Чем больше неподрессоренная масса, тем сильнее на детали действуют инерционные силы. Допустим, вы двигаетесь на немолодом внедорожнике с зависимым задним мостом, при котором массивный редуктор, полуоси и ступицы с немаленькими колёсами. При проезде волнистого участка дороги будет очевидно, что задняя ось постоянно уплывает. Всё потому что задний мост под действием инерционных сил просто не всегда будет успевать возвращаться вниз. От этого сцепление будет ухудшаться, и ось начнёт «гулять». Эти же инерционные силы мешают эффективно тормозить тяжелыми колёсами. Да и разгоняться с такими труднее. Потому-то незаменимые на суровом бездорожье внедорожники старой закалки с тяжёлыми зависимыми подвесками на скоростных трассах явно проигрывают новым на рычагах и ступицах из лёгких сплавов.
Выходит, что, изменив соотношение масс, можно увеличить плавность хода. И тут есть два пути. Можно увеличить подрессоренную, к примеру, ездить с балластом в багажнике, потеряв в расходе топлива и динамике. А можно уменьшить неподрессоренную. И это куда интереснее. Вот тут-то нам могут помочь кованые диски, вес каждого из которых может отличаться больше чем на 10 килограммов по сравнению с литьём. Кроме того, что они куда прочнее обычных стальных или литых. А ещё основная их масса сосредоточена ближе к ступице, что снижает момент инерции. Проще говоря, инерционные силы, действующие на раскрученное кованое колесо, куда меньше мешают ему двигаться поступательно, то есть в том направлении, куда нам хочется. Выходит, что просматривая объявления о продаже автомобилей, не стоит скептически относится к «переобутому» в кованые колёса лоту. Против физики не попрёшь. Лучше с ней дружить.
ВЕС ДИСКОВ ИМЕЕТ ЗНАЧЕНИЕ
Тот факт, что большая масса автомобиля замедляет его ускорение и удлиняет тормозной путь, ни у кого сомнений не вызывает. В то же время, вопрос массы колёсных дисков и резины не так уж часто «всплывает» при обсуждении этой проблемы.
Между тем эта масса имеет весьма большое значение: во-первых, эти детали входят в состав неподрессоренной массы автомобиля, а во-вторых от неё зависит такой важный показатель, как инерция вращения.
Неподрессоренная масса состоит из суммы масс резины, колёсных дисков, тормозных механизмов, некоторых частей подвески – в общем, всего того, что двигается вертикально относительно кузова автомобиля синхронно с колёсами. Неподрессоренная масса типичного автомобиля составляет около 15% его полной массы. Если не учитывать влияние упругих свойств авторезины, вся эта масса двигается вверх и вниз в зависимости от неровностей дороги.
Соотношение подрессоренной и неподрессоренной массы автомобиля является чрезвычайно важным показателем, так как сила, с которой неподрессоренные компоненты подталкивают автомобиль снизу вверх на неровностях дороги, должна выравниваться подрессоренной массой, которая принимает на себя эти толчки. В момент, когда колесо наезжает на бугор, на него начинает действовать сила, подбрасывающая колесо вверх со скоростью, которая зависит от упругости покрышки, размера бугра и скорости автомобиля. При этом, чем больше неподрессоренная масса, тем большую кинетическую энергию должна поглотить подвеска – если мы не хотим, чтобы так же была подброшена вверх подрессоренная масса, т.е. кузов со всем, что в нём находится. Таким образом, чем меньше неподрессоренная масса, тем мягче будет ход автомобиля. Если соотношение масс неблагоприятное, колеса не будут с достаточной силой прижиматься к поверхности дороги на неровностях – то есть пострадает не только мягкость хода, но и «хватка» автомобиля за дорогу.
Инерция – свойство объекта сопротивляться изменениям. Соответственно, инерция автомобиля – основная сила, которая преодолевается в процессе ускорения. В последующем, уже при движении, инерцию будет необходимо преодолевать уже для торможения. Если обратиться к точной формулировке из физики, то «инерция есть свойство материи оставаться в покое либо в состоянии равномерного поступательного движения до тех пор, пока к ней не будет приложена внешняя сила». Причём же тут колёса – кроме, конечно, того факта, что их масса является составной частью общей массы автомобиля? В отличие от большинства других деталей автомобиля, колёса раскручиваются, когда вы нажимаете на газ – тем самым вы придаёте им энергию для вращения. Чем колёса тяжелее, тем больше энергии и времени требуется на то, чтобы изменить скорость их вращения. Это ещё не всё – вместе с колёсными дисками и покрышками вращаются также тормозные диски и карданный вал, причём с той же скоростью. Ещё быстрее порой раскручиваются детали трансмиссии и консольная часть вала у заднеприводных и полноприводных автомобилей. Далее, коленвал, демпфер колебаний, маховик и муфты – все раскручиваются до оборотов двигателя, а это весьма высокий показатель. На низких передачах всем этим многочисленным деталям приходится раскручиваться на большую скорость за малые промежутки времени – а это значит, что сопротивление силы их инерции становится очень значительным.
Итак, каковы же последствия вышеизложенных проблем на практике? Для примера возьмём последнюю модель Honda Civic с колёсными дисками и резиной из специального набора для апгрейда. Стандартно автомобиль комплектуется резиной 185/65 производства Dunlop и стальными 14-дюймовыми дисками.
Каждое колесо при этом весило 15,5 кг. Их сменили на покрышки Nitto 205/40 и 17-дюймовые диски, при этом вес каждого колеса увеличился до 19,5 кг. Этих четырёх килограммов (26%) лишнего веса на каждое колесо хватило для того, чтобы мощность автомобиля по замерам на динамометрическом стенде снизилась на целых 5%. Это говорит о том, что увеличение массы вращающихся деталей даже на килограмм уже вполне существенно: в данном случае каждый килограмм, добавленный к каждому колесу Honda Civic, «съел» более 1% мощности, измеренной на колёсах.
Увеличение размеров дисков и колёс.
Предположим, вы ездите на 15-дюймовых дисках и резине 205/65. Это вполне заурядная конфигурация: в Австралии, к примеру, это стандартная комплектация полицейских машин. Диск весит около 9,5 кг, а типичная покрышка 205/65 – немногим менее 10 кг. Таким образом, у нас есть 4 колеса по 19,5 кг каждое.
Допустим, вы решили сохранить резину, но сменили диски на легкосплавные, 15-дюймовые. Допустим, они буду весить 8 кг, таким образом, каждое колесо станет весить 18 кг, сбросив полтора килограмма, или примерно 8%.
Вы какое-то время ездите вполне довольным, а затем решаете сменить покрышки на 16-дюймовые 225/50. Ваш выбор падает, скажем, на диски ROH Reflex весом 8 кг и резину Yokohama S1-Z, которая тянет на 10,7 кг. Таким образом, каждое колесо стало весить 18,7кг – в итоге по сравнению с оригинальным набором вы выиграли всего 0,7 кг на колесо, хотя и приобрели очень хорошие покрышки.
Продолжим наши выкладки. Допустим, вы решили ещё раз сменить и диски, и резину, «запав» на 17-дюймовые ROH Z5 по 8,5 кг каждый, и Yokohama A520 формата 235/45, по 11,9 кг каждая. Таким образом, вы довели вес каждого колеса до 22 кг – белее, чем на 20% тяжелее изначального. Такая прибавка вполне реально будет стоить вам замедленного разгона автомобиля.
Вероятно, покупая в следующий раз диски и покрышки, вы будете куда внимательнее относиться к их весу.
Влияние неподрессоренных масс на разгонную динамику автомобиля, натурный эксперимент.
Всем привет!
Каждый раз, переобуваясь после зимы автомобиль становиться другим. Совершенно другая динамика, как разгонная, так и тормозная. Совершенно другая управляемость и комфорт. Многие не верят, говорят что это самообман и т.д.
Волею случая ко мне в руки попал приборчик racebox и как раз в период «переобувки». Так как разгон с места до сотни измерять нет смысла, выезжаю на трассу в надежде замерить разгон 100-200. За бортом +15, первая попытка — впереди тренога, торможу в пол со 180-ти, далее пытаюсь разогнаться после 180-ти резина плывет, машину ведет. Страшно. Решаю произвести замеры 50-150, это будет более эффективно и безопасно. Итак, родные диски R17, резина Gislaved NF 200 225/45, прямой сухой участок трассы, три попытки:
Среднее время 12.7 сек.
Далее еду менять колеса. Зимнее колесо в сборе весит 21.6 кг:
Летнее колесо: диски Kosei K1-TS Version SS R17, покрышки Michelin PS4 225/45 (новые). Вес колеса в сборе 16.1 кг:
Итого разница в весе одного колеса 5.5 кг, а четырех 22 килограмма! 22 кг неподрессоренной массы минус!
Теперь произведем замер динамики на летних колесах. Тот же участок трассы, та же температура, три попытки:
Среднее время чуть меньше 11 ти секунд. Итого уменьшение веса колёс на 22 кг дало улучшение разгонной динамики 50-150 на 1.7 секунды!
Далее измерил динамику разгона 0-100. Rollout выключен. Автомобиль в стоке (пиковое давление наддува 0.7 бар), разгон по паспорту 7.1 сек. Трогаюсь с места, первая передача — стандартно без наддува, вторая — пинок в спину, разгон. Асфальт еще холодный зацепа нет, лучшее время:
Полагаю, что при горячем асфальте и приспущенных передних шинах результат можно улучшить.
Что такое неподрессоренная масса, и на что она влияет
Неподрессоренная масса – один из терминов, часто используемых в тест-драйвах и материалах о доработке автомобилей. Обычно он упоминается в контексте замены дисков на более легкие, но само понятие неподрессоренной массы заметно шире. Разбираемся, что это такое, и на что влияет этот параметр.
Понять, что такое неподрессоренная масса, несложно: это масса, не поддерживаемая «рессорами» — ну или другими несущими элементами подвески. То есть, все, что несет на себе подвеска – это подрессоренная масса: в нее входят кузов, рама, силовой агрегат и прочие элементы «верхней части» автомобиля. Все же, что находится «ниже амортизаторов и пружин» – это неподрессоренная масса, причем сами несущие элементы подвески тоже добавляют к неподрессоренной массе часть веса.
В число составляющих неподрессоренной массы входят диски, шины, тормозные механизмы, ступичные подшипники и сами ступицы, приводные валы, полуоси, ШРУС, балки и мосты подвески, а также сами пружины и амортизаторы – и рессоры, конечно. К слову, в английском языке термин «неподрессоренная масса» звучит как « unsprung mass » – то есть, «неподпружиненная масса», что несколько проще для понимания.
Чтобы полноценно ответить на этот общий вопрос, стоит понимать, что неподрессоренная масса – это не монолитный груз, подвешенный снизу на автомобиль, а сочетание разных деталей и элементов конструкции, выполняющих разные функции. Однако в целом она влияет на следующие характеристики автомобиля:
устойчивость и стабильность автомобиля;
расход топлива и динамические характеристики.
Начнем с простого: неподрессоренная масса как таковая влияет на плавность хода. Объяснить это просто: при наезде на дорожную неровность колесо и другие элементы неподрессоренной массы поднимаются вверх, передавая определенное усилие. Оно частично гасится элементами подвески, а частично передается на кузов – и от соотношения массы кузова и неподрессоренной массы зависит то, насколько ощутимым будет передающееся усилие. Условно говоря, если стукнуть два мяча друг о друга, сильнее сдвинется тот, что будет легче. Аналогичная ситуация и здесь: чем меньше будет неподрессоренная масса относительно подрессоренной, тем меньше будет ощущаться усилие, передаваемое ей на кузов. Ну а изменять это соотношение можно только за счет уменьшения неподрессоренной массы, поскольку увеличивать ради этого массу самого автомобиля никто не станет – работа идет как раз над обратным.
Пример неоптимального соотношения неподрессоренной и подрессоренной масс можно отследить на примере пикапов. У них грузовой отсек рассчитан на перевозку сравнительно больших грузов, и когда кузов пуст, неподрессоренная масса оказывает заметно большее влияние, чем могло быть в идеальных условиях: в результате автомобиль «козлит», подпрыгивает на неровностях и не обеспечивает большого комфорта. Когда же кузов загружен, подрессоренная масса вырастает, и ее соотношение с неподрессоренной становится больше – а значит, улучшается комфорт и плавность хода.
Эти показатели напрямую проистекают из предыдущего объяснения о воздействии неподрессоренной массы на подрессоренную и их взаимного отношения. Все просто: в момент наезда на препятствие неподрессоренная масса движется вверх, и колесо разгружается, а то и вовсе отрывается от дороги. Чем выше при этом неподрессоренная масса относительно подрессоренной, тем дольше колесо будет находиться в таком «подвешенном» состоянии, и наоборот – чем тяжелее автомобиль относительно неподрессоренных масс, тем он быстрее «прижимает» их обратно к дороге.
Продолжая пример с пикапами, можно провести аналогичную параллель. Пустой пикап, двигаясь по неровной дороге, будет больше подпрыгивать на неровностях, и в повороте эти вертикальные колебания будут заметно влиять на устойчивость автомобиля: корму будет переставлять, сносить или уводить в сторону. Если же заполнить кузов грузом, вертикальные колебания кузова снизятся, и автомобиль будет увереннее вести себя в повороте, заметно меньше разгружая колеса на неровностях: это значит, что вырастут показатели устойчивости, стабильности и, в какой-то мере, управляемости.
На эти показатели более всего влияет не вся неподрессоренная масса как таковая, а прежде всего элементы, преобразовывающие крутящий момент в движение – шины, диски и приводные валы, которые в случае с зависимой подвеской также считаются частично неподрессоренной массой. Здесь действует простой принцип: более тяжелое колесо или вал труднее раскрутить и обеспечить ему постоянное вращение. Поэтому как приводные валы, так и колеса стараются сделать легкими, сохранив показатели прочности и надежности.
В случае с валами это можно иллюстрировать появлением карбоновых карданных валов, ну а колеса как один из самых легкозаменяемых элементов конструкции – буквально бесконечное поле для тюнинга и улучшения. Здесь и легкосплавные и кованые диски, и диски из карбона, и более энергоэффективные шины с меньшей массой и сниженным сопротивлением качению.
Взаимосвязь колес с расходом топлива и динамическими характеристиками очевидна: чем легче колесо, тем проще и быстрее его будет раскрутить – соответственно, на это потребуется меньше затрат энергии и меньше времени, что означает меньший расход и лучшую динамику автомобиля.
Обобщая и подытоживая все вышесказанное, можно сделать главный вывод: усилия инженеров направлены на максимальное уменьшение неподрессоренной массы. Увеличение отношения подрессоренной и неподрессоренной массы нельзя осуществить за счет увеличения подрессоренной массы, а это значит, что единственный способ реализовать желаемое отношение – уменьшить неподрессоренную. Именно поэтому в современных автомобилях мы видим алюминиевые подвески, кованые диски, независимые подвески, исключающие из неподрессоренной массы балки, мосты и карданы, и другие технические решения, направленные на ее снижение.
Зависимость динамики от неподрессоренных масс.
Вот такую интересную статью нарыл на сайте dba-brakes.com.ua/ все что нужно в цифрах, если правильно понимаю, то снижение неподрессоренной массы на 1 кг равно примерно добавлению 3,5 Nm
Тормозные диски — ЛЕГЧЕ значит ЛУЧШЕ?
Этот вопрос часто поднимается на различных автомобильных форумах. К сожалению, не существует простого ответа на этот вопрос, поэтому мы укажем вам на все «за» и «против» и оставим выбор за вами.
Типичный большой седан, весом 1690 кг, едет по шоссе со скоростью 134 км/ч и вам необходимо резко затормозить. Предположим, что обычная средняя покрышка выдерживает ускорение порядка 0,85 G, до момента срыва в юз. Мы будем тормозить с усилием 0,81 G, чтобы избежать блокирования колес. Автомобиль пройдет до полной остановки около 87 метров и выработает при этом 1170 kW кинетической энергии. Вся эта энергия должна передаваться через тормозную систему, чтобы остановить автомобиль. Когда вы передаете такое количество энергии за такой короткий срок (4,7 сек.), происходит выделение значительного количества тепла и масса тормозного диска в данном случае играет критическую роль.
Типичный передний тормозной диск на большом седане имеет диаметр около 300 мм и весит около 9,5 кг. Мы сфокусируемся на передних дисках, так как на них обычно приходится 70% тормозного усилия. Диск состоит из двух основных компонентов — крепежного колокола, который крепится к ступице и тормозного полотна, на которое и приходит тормозное усилие от суппорта. Тормозное полотно в нашем диске весит около 6 кг. В нашем случае температура диска весом 9,5 кг повысится при торможении на 125°C менее чем за 5 секунд.
В точно таком же тормозном диске диаметром 300 мм, но весом 8,5 кг, вес тормозного полотна составит 5,5 кг, а температура повысится на 137°C. Казалось бы — прирост всего в 10%, однако передача тепла достаточно хитрая вещь. При единоразовом торможении дополнительные 10% вероятнее всего не окажут никакого ощутимого эффекта. Но что случится, если нужно будет провести серию повторяющихся торможений с равными интервалами? В большинстве случаев, времени между торможениями недостаточно для того, чтобы диск полностью восстановил нормальную рабочую температуру. Это приведет к накоплению тепла — 10% плюс еще 10% и так далее!
Обратная сторона медали:
Все фанаты тюнинга постоянно говорят о снижении неподрессоренных масс. Действительно, вращающийся тормозной диск имеют определенную степень инерции или эффект маховика, что требует дополнительных затрат энергии для разгона и остановки. В нашем случае, требуется около 24 Nm крутящего момента, чтобы разогнать диск весом 9,5 кг до 134 км/ч и обратно. Более легкий диск, весом 8,5 кг, требует около 20,5 Nm, что несколько больше чем 10%. На «стоковой» Subaru Impreza WRX Sti, с крутящим моментом 400 Nm, вы вряд ли заметите «улучшение» в 3,5 Nm. Действительный эффект от снижения веса тормозного диска можно получить только на специализированных сверхлегких спортивных автомобилях.
В большинстве случаев, автопроизводитель проделывает все эти и многие другие расчеты для определения оптимальной массы (веса) тормозного диска. Мы можем заверить вас, что это точно не в их интересах добавлять ненужные килограммы металла в автомобиль.
Физика подвески и рулевого управления. Часть 2. Соотношение подрессоренных и неподрессоренных масс
Очень часто приходится натыкаться на гаражные дебаты о соотношениях мощность/вес, развесовка перед/зад, о высоком или низком центре тяжести. Всё это, конечно, очень важно и в конечном счёте нужно учитывать при постройке или доводке авто. Но сегодня мы затронем тему, которую обычно почти не касаются, а именно соотношение подрессоренных масс к неподрессоренным.
Почему эта тема актуальна? В первую очередь потому, что любой мало-мальски серьёзный тюнинг (исключение разве что чип-тюнинг) приводит к изменению этой величины, ибо вводятся новые элементы. К примеру, установка других колёс, замена суппортов и тормозных дисков приводит к изменению неподрессоренных масс. Облегчение салона или элементов кузова, свап мотора, замена коробки или дифференциала приводят к изменению подрессоренных масс.
Немного определимся с понятиями:
Неподрессоренные массы — это массы элементов автомобиля, имеющих практически линейную зависимость поведения от сил, порождаемых дорожным покрытием.
Если же сошлёмся на Википедию:
Неподрессо́ренная ма́сса — понятие, применимое к наземным средствам передвижения, имеющим подвеску, которое обозначает массу, включающую массу колес и других деталей, крепящихся непосредственно к ним (дисков, шин, элементов тормозной системы, находящихся на колесе).
Подрессоренные массы — это массы элементов автомобиля, подвешенных на гасящих элементах. Сами же гасящие элементы (пружины, амортизаторы, рессоры) относят, как правило, к неподрессоренным массам.
Википедия утверждает, что подрессоренная масса — это масса автомобиля за вычетом неподрессоренных, что тоже верно.
Итак, обозначим эти массы как m(нпр) и m(пр) соответственно.
Соотношение этих масс пусть обзовём f, т.е.
f = m(пр) / m(нпр)
Теперь немного разберёмся, что реально имеет смысл в этом вопросе, а что не столь важно. Те, кто сталкивался с данными понятиями, частенько поговаривают о том, что облегчение неподрессоренных масс приводит к улучшению плавности хода и управляемости. Это утверждение верно, но от части. Иными словами это имеет место быть, когда облегчается только неподрессоренная масса. На практике же может меняться и то, и другое, и всё вместе. Поэтому правильно было бы выразиться так:
Увеличение соотношения подрессоренных масс к неподрессоренным приводит к улучшению способности подвески отрабатывать на неровных поверхностях без потери пятна контакта, более своевременной реакции и снижению нагрузки на автомобиль, что в свою очередь приводит к улучшению управляемости и комфорта.
Уменьшение соотношения подрессоренных масс приводит к повышению вероятности отрыва колёс на неровной поверхности, запаздыванию реакции и увеличению нагрузки на подвеску и кузов в целом, что соответственно приводит к ухудшению управляемости и комфорта.
Два крайних случая: автомобиль на воздушной подушке (соотношение достаточно высокое) и телега с валами на подшипниках (соотношение очень низкое).
Всё это связано с моментами инерции, которые развивают элементы. Чем больше соотношение, тем меньше передаётся сил как таковых на основную массу автомобиля, что позволяет устанавливать более жёсткую и быструю по времени реакции подвеску.
Яркие примеры:
— комфортабельные и управляемые немцы Мерседес, БМВ, Вольво, вес которых преобладает над весом неподрессоренных масс, несмотря на большие и широкие колёса, здоровые суппорта и тормозные диски, чугунные рычаги и тому подобное. Всё это приходится компенсировать установкой более мощных силовых агрегатов.
— легкие корейские и японские хэтчбэки (особенно, наверное, выделяется Хонда), в которых подвеска сделана из целого набора рычагов чуть ли не из листового металла, с маленькими тормозными дисками, крохотными суппортами и легкосплавными дисками маленького диаметра.
Интерсные данные ходят по сети:
Снижение веса колёс на 1 килограмм с точки зрения динамики эквивалентно уменьшению массы в салоне автомобиля приблизительно на 1.5 кг. С точки зрения комфорта — на 10. Таким образом, если при замене дисков вы снижаете вес каждого всего на 2 килограмма (что в сумме дает 8 килограммов), то ваша машина будет ехать также плавно, как если бы в неё сел пассажир весом 80 кг., и так же быстро как будто из салона выкинули 12 кг (а пассажир не садился вовсе).
Если капнуть эту тему глубже, то можно понять, насколько изменение веса и конструкции конкретных элементов влияет на увеличение соотношения масс, ибо в плане физики всё гораздо сложнее, и необходимо не только слепо изменять соотношение в большую сторону, но и понимать, насколько это отражается на развесовке по осям и насколько стоит изменить регулировку упругих элементов на каждой отдельной оси.
Но, думаю, чтобы осознать важность данного соотношения, написанного мною сегодня достаточно.