Көліктің серіппеден тыс массасы

Кіріспе

Көлік құралының аспалы жүйесімен тірелмеген бөлігі – көлік құралының аспасы, дөңгелектері немесе тізбектері (қажет болған жағдайда) және оларға тікелей қосылған басқа да компоненттердің массасы. Бұл, аспаның көмегімен тіреліп тұратын, оның ішінде кузов және оған бекітілген немесе оның ішінде орналасқан басқа да компоненттерді қамтитын, тірелген массадан (немесе салмақтан) өзгеше. Тірелмеген массаның құрамдас бөліктеріне дөңгелек осьтері, дөңгелек подшипниктері, дөңгелек ступицалары, дөңгелектер және жетек біліктерінің, серіппелердің, амортизаторлардың және аспа байланыстарының салмағының бір бөлігі кіреді. Көліктің ішкі бөліктеріне орнатылған тежегіштер (мысалы, жетек білігіне орнатылған, бірақ дөңгелектің немесе оның ступицасының бөлігі емес) көліктің тірелген массасының бөлігі болып табылады.

Әсерлер

Типтік дөңгелек/шина комбинациясының серпімсіз массасы, бұл жұптың соққыларды сіңіру/жолды ұстау қабілеті мен дірілді оқшаулау арасындағы тепе-теңдік. Жолдың өңі мен беткі кемшіліктері шинаны қысып, серпімсіз массаға күш түсіреді. Бұл күштің әсерінен масса өзі қозғалады. Ұзақтығы және амплитудасы аз соққылар үшін қозғалыс амплитудасы салмаққа кері пропорционал. Жолдың бұрылыстарында жылдам қайта орналасатын жеңіл дөңгелек жақсырақ ұстанымға және тұрақты ұстанымға ие болады. Сондықтан, жеңіл дөңгелектер, әсіресе жоғары өнімділікке қажет. Дегенмен, жеңіл дөңгелек аз діріл сіңіреді. Жолдың кемшіліктері аспа арқылы кабинаға беріледі, сондықтан жүру сапасы және жол шуы нашарлайды. Ұзаққа созылған соққылар үшін, дөңгелектермен бірге қозғалғанда, үлкен серпімсіз масса дөңгелектерге көбірек энергия сіңіріп, жүруді нашарлатады. Пневматикалық немесе серіппелі шиналар серпімсіз массаға серпінділікті қалпына келтіруге көмектеседі, бірақ шинаның серпімділігінен туындайтын демпферлеу жанармай үнемдеу және қызу мәселелерімен шектеледі. Дөңгелектер әр соққыдан кейін тоқтамай, дірілдеуді жалғастырады. Соқпақты жолдарда және кейбір жұмсақ асфальтталған жолдарда, қозғалыс тудыратын ұсақ өңірлер пайда болады, олар кішігірім дөңгелектерге ұқсас болғандықтан сопақшалар, толқынды беттер немесе "көйлекше" деп аталады. Бұл келесі осьтерде дөңгелектердің тұрақты дірілдеуіне және өңірлердің үлғаюына әкеледі. Жоғары серпімсіз масса күшті үдеу немесе тежеу кезінде дөңгелектерді басқару мәселелерін де күшейтеді. Егер көлік құралы тік жазықтықта дөңгелекті дұрыс орналастырмаса (мысалы, Hotchkiss жүйесі бар артқы жетектегі автомобиль, қарапайым жапырақты серіппелермен тіреуіш ось), үдеу немесе күшті тежеу кезінде туындайтын тік күштер, жоғары серпімсіз массамен бірігіп, дөңгелектің күшті дірілдеуіне әкелуі мүмкін, бұл сүйреу және рульді басқаруды нашарлатады. Серпімсіз массаның пайдалы әсері - асфальт немесе бетон жол бетіндегі ұсақ тастар сияқты жоғары жиілікті жол кемшіліктерінің толығымен оқшаулануы, себебі шиналар мен серіппелер жеке сүзгілер ретінде әрекет етеді, ал серпімсіз масса оларды ажыратуға бейім. Сол сияқты, дыбыс және діріл оқшаулануы (жүргізу есебінен) өндіріс автомобильдерінде рама мен аспа арасындағы резеңке иілістерді, раманың немесе кузовтың икемділігін және орындықтардың серпімділігін пайдалану арқылы жақсартылады.

The unsprung mass of a typical wheel/tire combination represents a trade off between the pair's bump absorbing/road tracking ability and vibration isolation. Bumps and surface imperfections in the road cause tire compression, inducing a force on the unsprung mass. The unsprung mass then reacts to this force with movement of its own. The motion amplitude for small duration and amplitude bumps is inversely proportional to the weight. A lighter wheel which readily rebounds from road bumps will have more grip and more constant grip when tracking over an imperfect road. For this reason, lighter wheels are sought especially for high performance applications. However, the lighter wheel will soak up less vibration. The irregularities of the road surface will transfer to the cabin through the suspension and hence ride quality and road noise are worse. For longer duration bumps that the wheels follow, greater unsprung mass causes more energy to be absorbed by the wheels and makes the ride worse. Pneumatic or elastic tires help by restoring some spring to the (otherwise) unsprung mass, but the damping possible from tire flexibility is limited by considerations of fuel economy and overheating. The shock absorbers, if any, also damp the spring motion and must be less stiff than would optimally damp the wheel bounce. So the wheels still vibrate after each bump before coming to rest. On dirt roads and on some softly paved roads, the induced motion generates small bumps, known as corrugations, washboarding or "corduroy" because they resemble smaller versions of the bumps in roads made of logs. These cause sustained wheel bounce in subsequent axles, enlarging the bumps. High unsprung mass also exacerbates wheel control issues under hard acceleration or braking. If the vehicle does not have adequate wheel location in the vertical plane (such as a rear wheel drive car with Hotchkiss drive, a live axle supported by simple leaf springs), vertical forces exerted by acceleration or hard braking combined with high unsprung mass can lead to severe wheel hop, compromising traction and steering control. A beneficial effect of unsprung mass is that high frequency road irregularities, such as the gravel in an asphalt or concrete road surface, are isolated from the body more completely because the tires and springs act as separate filter stages, with the unsprung mass tending to uncouple them. Likewise, sound and vibration isolation is improved (at the expense of handling), in production automobiles, by the use of rubber bushings between the frame and suspension, by any flexibility in the frame or body work, and by the flexibility of the seats.

Жазылмаған масса және көлік құралының конструкциясы

Көлік құралының аспасын жобалау және оның құрамдас бөліктері үшін материалдарды таңдауда серпімсіз масса ескеріледі. Қарсы жақтағы доңғалақтары бір-бірімен тікелей байланысқан арқалық осьті аспалар, тәуелсіз аспалы жүйелерге қарағанда көбірек серпімсіз массаға ие болады, мұнда доңғалақтар жеке қозғалуға мүмкіндік алады. Дифференциал сияқты ауыр компоненттерді тікелей кузовқа бекіту арқылы (мысалы, де Дион түтігі артқы аспасындай) серпімді массаның бөлігіне айналдыруға болады. Алюминий, пластик, көміртек талшығы және/немесе қуыс конструкциялы материалдар қолдану арқылы, құнының және/немесе беріктігінің артуымен бірге салмақты одан әрі азайтуға болады. "Серпімсіз масса" терминін Dunlop шина компаниясының математигі Альберт Хили енгізген. Ол 1924 жылдың қараша айында Автомобиль инженерлері институтында "Шина – аспа жүйесінің бір бөлігі" тақырыбында аспаны жобалауға қатысты алғашқы талдамалық лекцияларын оқыды. Бұл лекция 100 беттік мақала ретінде жарияланды. Ішкі тежегіштер серпімсіз массаны айтарлықтай төмендетуге мүмкіндік береді, бірақ жарты осьтерге және (тұрақты жылдамдықты) универсалды буындарға қосымша жүктеме түсіреді, сондай-ақ орнатуға қиын болатын кеңістік қажет етеді. Егер дифференциал немесе трансмиссияның жанына орналасса, тежегіштерден шығатын ысық дифференциалды немесе керісінше, қыздыруы мүмкін, әсіресе жарыс сияқты интенсивті пайдалану кезінде. Сондай-ақ, тежеу кезінде туындайтын момент аспа қолдарына әсер етпейтіндіктен, суға батуға қарсы аспа сипаттамаларын жасауды қиындатады. Шапман тірегі күш беріліс біліктерін аспа қолдары ретінде пайдаланды, осылайша екі емес, бір компоненттің салмағы ғана қажет болды. Jaguar-дың патенттелген тәуелсіз артқы аспасы (IRS) серпімсіз массаны азайту үшін аспаның жоғарғы тіреуші қолдарын күш беріліс біліктерімен алмастырды, сондай-ақ кейбір нұсқаларында тежегіштерді ішкі бөлігіне орналастырды. Скутер типті мотоциклдерде артқы аспаның бөлігі ретінде инерциялық қозғалыс жасайтын біріктірілген қозғалтқыш-жәшік-финальдық жетек жүйесі қолданылады, демек, ол серпімсіз массаның бір бөлігі болып табылады. Бұл конструкция көбінесе кішкентай дөңгелектерді пайдаланумен байланысты, бұл олардың жолға ұстау қабілеті нашар екендігіне әсер етеді.

Unsprung mass is a consideration in the design of a vehicle's suspension and the materials chosen for its components. Beam axle suspensions, in which wheels on opposite sides are connected as a rigid unit, generally have greater unsprung mass than independent suspension systems, in which the wheels are suspended and allowed to move separately. Heavy components such as the differential can be made part of the sprung mass by connecting them directly to the body (as in a de Dion tube rear suspension). Lightweight materials, such as aluminum, plastic, carbon fiber, and/or hollow components can provide further weight reductions at the expense of greater cost and/or fragility. The term 'unsprung mass' was coined by the mathematician Albert Healey of the Dunlop tyre company. He presented one of the first lectures taking a rigid analytical approach to suspension design, 'The Tyre as a part of the Suspension System' to the Institution of Automobile Engineers in November 1924. This lecture was published as a 100 page paper. Inboard brakes can significantly reduce unsprung mass, but put more load on half axles and (constant velocity) universal joints, and require space that may not be easily accommodated. If located next to a differential or transaxle, waste heat from the brakes may overheat the differential or vice versa, particularly in hard use, such as racing. They also make anti dive suspension characteristics harder to achieve because the moment created by braking does not act on the suspension arms. The Chapman strut used the driveshafts as suspension arms, thus requiring only the weight of one component rather than two. Jaguar's patented independent rear suspension (IRS) similarly reduced unsprung mass by replacing the upper wishbone arms of the suspension with the drive shafts, as well as mounting the brakes inboard in some versions. Scooter type motorcycles use an integrated engine gearbox final drive system that pivots as part of the rear suspension and hence is partly unsprung. This arrangement is linked to the use of quite small wheels, further affecting their poor reputation for road holding.