Неподрессоренная масса автомобиля

Введение

Часть транспортного средства, не поддерживаемая его системой подвески. Неподвешенная масса (в разговорной речи – не подвешенный вес) транспортного средства – это масса подвески, колес или гусениц (в зависимости от типа транспортного средства) и других компонентов, непосредственно с ними связанных. Это противопоставляется массе (или весу) подвешенной части, которая включает кузов и другие компоненты, расположенные внутри или прикрепленные к нему. Компонентами неподвешенной массы являются колесные оси, колесные подшипники, колесные ступицы, шины, а также часть веса приводных валов, пружин, амортизаторов и рычагов подвески. Тормоза, установленные на борту (то есть на приводном валу, а не являющиеся частью колеса или его ступицы), относятся к массе подвешенной части транспортного средства.

Эффекты

Неподрессоренная масса типичной комбинации колеса и шины представляет собой компромисс между способностью пары поглощать удары и обеспечивать устойчивость на дороге и изоляцией от вибраций. Неровности и дефекты дорожного покрытия вызывают сжатие шины, создавая силу, действующую на неподрессоренную массу. Неподрессоренная масса, в свою очередь, реагирует на эту силу собственным движением. Амплитуда движения при небольших по величине и продолжительности ударах обратно пропорциональна весу. Более легкое колесо, которое быстро возвращается в исходное положение после наезда на неровность, обеспечивает лучшее сцепление и более стабильное сцепление при движении по неровной дороге. Поэтому более легкие колеса особенно востребованы в высокопроизводительных автомобилях. Однако более легкое колесо поглощает меньше вибраций. Неровности дорожного покрытия будут передаваться в салон через подвеску, что ухудшит комфорт и увеличит уровень шума. При длительных ударах, большая неподрессоренная масса приводит к большему поглощению энергии колесами и ухудшает плавность хода. Пневматические или эластичные шины помогают частично компенсировать отсутствие пружин в неподрессоренной массе, но возможности демпфирования за счет гибкости шины ограничены соображениями экономии топлива и предотвращения перегрева. Амортизаторы, если они установлены, также гасят колебания пружины и должны быть менее жесткими, чем оптимально для гашения колебаний колеса. Поэтому колеса продолжают вибрировать после каждого удара, прежде чем прийти в состояние покоя. На грунтовых и некоторых мягко асфальтированных дорогах возникающие колебания создают небольшие неровности, известные как "гофрирование", "рифление" или "кордюрой" из-за их сходства с уменьшенными версиями дорог, построенных из бревен. Эти неровности вызывают продолжительные колебания колес на последующих осях, увеличивая их размер. Большая неподрессоренная масса также усугубляет проблемы с управляемостью при резком ускорении или торможении. Если у автомобиля отсутствует надежная фиксация колес в вертикальной плоскости (например, в автомобиле с задним приводом и конструкцией Hotchkiss, где живая ось поддерживается простыми листовыми рессорами), вертикальные силы, возникающие при ускорении или резком торможении в сочетании с большой неподрессоренной массой, могут привести к сильному подпрыгиванию колес, что ухудшает тягу и управляемость. Положительным эффектом неподрессоренной массы является то, что высокочастотные неровности дорожного покрытия, такие как гравий на асфальте или бетоне, лучше изолируются от кузова, поскольку шины и пружины действуют как отдельные фильтры, а неподрессоренная масса способствует их разделению. Аналогичным образом, улучшается звуко- и виброизоляция (в ущерб управляемости) в серийных автомобилях за счет использования резиновых сайлентблоков между рамой и подвеской, гибкости рамы и кузова, а также гибкости сидений.

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.

Масса и конструкция транспортного средства без пружин

Неподрессоренная масса является важным фактором при проектировании подвески транспортного средства и выборе материалов для её компонентов. Подвески с зависимой балкой, в которых колеса на противоположных сторонах соединены жестким элементом, как правило, имеют большую неподрессоренную массу, чем независимые подвески, в которых колеса подвешены и могут перемещаться независимо друг от друга. Тяжелые компоненты, такие как дифференциал, можно включить в состав подрессоренной массы, соединив их непосредственно с кузовом (как в задней подвеске типа De Dion). Использование легких материалов, таких как алюминий, пластик, углеродное волокно и/или полых компонентов, позволяет дополнительно снизить вес, но может потребовать больших затрат и/или снизить прочность. Термин "неподрессоренная масса" был введен математиком Альбертом Хили из компании Dunlop. Он представил одну из первых лекций, в которой использовался строгий аналитический подход к проектированию подвески – "Шина как часть системы подвески" – в Институте автомобильных инженеров в ноябре 1924 года. Эта лекция была опубликована в виде 100-страничного доклада. Внутренние тормоза могут значительно уменьшить неподрессоренную массу, но увеличивают нагрузку на полуоси и шарниры равных угловых скоростей, а также требуют пространства, которое не всегда легко найти. Если тормоза расположены рядом с дифференциалом или трансмиссией, отработанное тепло от тормозов может перегреть дифференциал или наоборот, особенно при интенсивной эксплуатации, например, в гонках. Они также усложняют достижение антиклевковых характеристик подвески, поскольку момент, создаваемый торможением, не действует на рычаги подвески. Подвеска Chapman использовала приводные валы в качестве рычагов подвески, что требовало веса только одного компонента вместо двух. Запатентованная независимая задняя подвеска Jaguar (IRS) аналогичным образом снижала неподрессоренную массу, заменяя верхние рычаги подвески приводными валами, а также устанавливая тормоза внутри автомобиля в некоторых версиях. Мотоциклы типа скутер используют интегрированную систему двигателя, коробки передач и конечного привода, которая поворачивается как часть задней подвески и, следовательно, частично является неподрессоренной. Эта конструкция связана с использованием относительно небольших колес, что еще больше ухудшает их репутацию в плане управляемости.

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.