Что такое центр тяжести автомобиля, и на что он влияет — Лайфхак

• Лайфхак
• Вождение

Фото https://www.thesun.co.uk

Под центром тяжести автомобиля подразумевается условная точка, в которой сосредоточен весь его вес. От ее расположения зависит распределение веса по осям машины, и в легковушках эта нагрузка разделяется по ним примерно поровну. От размещения центра тяжести зависит устойчивость, а следовательно, и управляемость машины.

Иван Флягин

Нагружая автомобиль тяжелой поклажей, мы можем запросто сместить его центр тяжести. Поэтому делать это надо с умом, иначе машина во время движения будет склонна к опрокидыванию. Например, при перегруженном багажнике на крыше центр тяжести сместится вверх. Впрочем, он все равно окажется выше, даже если забить неподъемным барахлом салон и багажник. Так что в любом случае груженая машина на дороге менее устойчива, чем пустая.

Как раз высота центра тяжести автомобиля влияет на перераспределение нормальных реакций по колесам при разгонах и торможении, а также при кренах автомобиля во время поворотов. Чем выше находится центр тяжести, тем меньше его устойчивость, и больше его склонность к опрокидыванию. Чтобы это понять, достаточно представить, что происходит при разгоне, торможении и в поворотах с движущимся подъемным краном.

Неслучайно инженеры стремятся разместить центр тяжести автомобиля как можно ближе к поверхности дороги, чтобы конструкция была максимально устойчива во время движения. Неслучайно спортивные машины имеют низкий клиренс. Так что кроссовер с большим дорожным просветом в сравнении с седаном всегда будет менее устойчив.

Еще одна важная величина — сила тяжести. Речь идет о весе автомобиля, сосредоточенном в его центре тяжести, откуда эта сила направлена к центру Земли. Движущейся прямо транспортное средство будет сохранять продольную и поперечную устойчивость до тех пор, пока линия действия силы тяжести не выйдет за пределы периметра четырех колес, которые являются точками опоры автомобиля. Как только вектор направления силы тяжести автомобиля сместится за пределы площади, ограниченной колесами, автомобиль тут же потеряет устойчивость и может опрокинуться.

Например, во время прохождения поворотов на высокой скорости линия действия силы тяжести сдвигается в бок под воздействием инерции на автомобиль — во внешнюю сторону поворота. В этом случае высок риск опрокидывания. При крутом спуске с горы в случае экстренного торможения вектор направления силы тяжести резко смещается вперед, провоцируя автомобиль к продольному опрокидыванию. И чем больше скорость, тем выше шанс потерять равновесие во время любых маневров.

• Автомобили
• Тест-драйв

Как стать жертвой шведской контролируемой агрессии

9442

• Автомобили
• Тест-драйв

Как стать жертвой шведской контролируемой агрессии

9442

Подпишитесь на канал «Автовзгляд»:

• Telegram
• Яндекс.Дзен

безопасность дорожного движения, технология, автопутешествие

Центр тяжести автомобиля

При расчете автомобиля необходимо учитывать важные этапы компоновки и конструирования автомобиля. Сегодня мы с вами будем определять центр тяжести автомобиля и распределения его массы по осям.

Для расчета весовых характеристик автомобиля в расчет обычно принимается масса взрослого человека (около 70кг), а для детей 35 кг. Центр массы взрослого человека принимается на обоснованном расстоянии от нижней крайней точки спинки сиденья и составляет 200 мм. Чтобы определить массу, приходящуюся на одну ось необходимо использовать уравнение моментов.

Сейчас мы рассмотрим расчет распределения нагрузки задней оси:

Расчетная схема определения нагрузки, центр тяжести автомобиля который приходится на заднюю ось автомобиля:

Gt — это сила тяжести рулевой колонки автомобиля; G1 — сила тяжести рулевого управления автомобиля; G2— сила тяжести кардана автомобиля; G3— сила тяжести силового агрегата автомобиля; G4 — сила тяжести передних сидений автомобиля; G5 — сила тяжести аккумулятора автомобиля; G6 — сила тяжести кузова; G7— сила тяжести задних сидений; G8 — сила тяжести задней подвески автомобиля и моста; С9 — сила тяжести задних колес; G 10 — сила тяжести глушителя выпускной системы автомобиля; G11- сила тяжести запасного колеса; l1,l2. ..l12  — расстояние от выбранного агрегата до передней оси автомобиля.

Проектирование автомобиля осуществляется с использованием следующих параметров: масса отдельных частей автомобиля, сухая масса автомобиля, реальные массы агрегатов. Сила тяжести определяется в Ньютонах для этого необходимо получить произведение массы автомобиля, умноженной на коэффициент 9,8. Еще необходимо найти в справочнике массу всех агрегатов и узнать расстояние агрегатов и механизмов до осей автомобиля. Для определения силы тяжести, которая приходится на задний мост необходимо сложить произведения сил тяжести умноженных на расстояния между осями до центра масс агрегата или механизма и разделить на расстояние между принятыми осями автомобиля. Во время расчета принимаем знаки соответствующие математическим выражениям.

Во время рассмотрения оси, справа от нее существует момент силы, произведение сил тяжести на расстояние, тогда принимается знак «+», а моменты сил слева от оси принимаются со знаком «-».

Среднестатистические значения центров масс отдельных узлов и агрегатов автомобилей, выраженные в кг.

Для определения силы тяжести, которая приходиться на другую ось можно воспользоваться таким же методом.

Во время проектирования автомобиля не достаточно построить изображение и дизайн на бумаге. Если проектируется пространство и посадочное место для водителя, необходимо изготовить специальный макет, который создается в натуральную величину , то же самое применяем и к внешнему облику автомобиля, необходимо построить макет, который будет полностью соответствовать параметрам кузова автомобиля. С этого момента можно поговорить и о дизайне кузова автомобиля и его компоновке.

Каждый конструктор ставит перед собой задачу создать, что-то такое чего раньше еще не было, так и в автомобильной отрасли автомобиль должен быть единственным в своем роде, оригинальным.

Требования к проектируемым автомобилям должны соответствовать определенной направленности и динамичности. Важно создать свой оригинальный характер и построение формы автомобиля со спортивной нотой, вид капли, что очень популярно и использовалось кампанией Porshe, форма должна быть изящной и аэродинамической, что уменьшает сопротивления воздуха. Форма капли сама по себе говорит об улучшении аэродинамики и уменьшении воздушного сопротивления, динамичность у нее в крови.

Когда автомобиль движется в пространстве, его внешние детали испытывают сопротивления воздуха. Сопротивление воздуха оказывает огромное влияние на расход мощности автомобиля. Конструкторы ставят задачу уменьшить повышенное сопротивление воздуха. И скорость движения равно пропорциональна потери мощности на воздушное сопротивление.

Для того чтобы разобраться в вопросах потери мощности, необходимо разобраться в вопросах аэродинамики.

Аэродинамическое сопротивление при перемещении автомобиля в пространстве состоит из нескольких составляющих:

1)      Аэродинамическое сопротивление формы автомобиля в движении;

2)      Индуктивное сопротивление;

3)      Сопротивление внутренних потоков.

Аэродинамическое сопротивление. В большей части сопротивление воздуха зависит от формы и поверхности автомобиля. Поверхность кузова автомобиля влияет на обтекание воздухом и плавность хода. Идеальной в этом смысле является капельная форма кузова. Для создания идеального автомобиля следует избегать остро выраженных углов, и создавать легкие гладкие поверхности кузова автомобиля.

Индуктивное сопротивление зависит от подъемной силы автомобиля, которая возникает при понижении давления в верхней части автомобиля и повышения давления в нижней части в районе днища. Такой принцип сопротивления очень подобает движению самолетного крыла. Такой вид сопротивления воздуху можно отметить на высоких скоростях движения автомобиля. Чтобы уменьшить индуктивное сопротивление используют вспомогательные устройства, такие как спойлеры, антикрылья, подвесы.

Поверхностное сопротивление возникает вследствие трения мелких частиц воздуха, которые следуют по касательной, направляясь к поверхности кузова автомобиля. Поэтому покрытия кузова имеет тоже очень важную роль.

Интерференционное сопротивление это сопротивление, создаваемое различными частями деталей автомобиля, которые выступает за его пределы. Эти элементы могут создавать собственные сопротивления. Способы уменьшения интерференционного сопротивления могут крыться в установке специальных ручек, обода фар, форменных наружных зеркал, ветровых стекол.

Зоны сопротивления, создаваемые потоком воздуха.

Чтобы уменьшить сопротивление воздуха каналы входа потока воздуха должны быть размещены внутри кузова, где создается наибольшее давление (передняя часть кузова, зона, находящаяся в районе переднего бампера, и у бокового стекла). Каналы, которые будут выпускать воздух из кузова выполнять пропорционально и в зоне разряжения (задняя часть кузова, передние крылья, район кузова вблизи заднего стекла).

Компоновка необходима для решения стратегического направления при создании конструкции кузова. В процессе создания компоновки отдельные элементы приходится изменять, править, экспериментировать, рассчитывать.

Компоновка автомобиля выполняется в трех видах. Компоновочные чертежи включают: вид сбоку, спереди и сверху. Для точности выполнения компоновки автомобиля строится специальная сетка с установленными расстояниями между линиями в 200 мм. Пример компоновочного чертежа вы можете увидеть на рисунке.

Как рассчитать центр тяжести

Стив Спата, директор службы технической поддержки NTEA

От члена NTEA
Я собираю грузовик, и мне нужно определить, находится ли его центр тяжести в пределах, установленных OEM. Как мне выполнить эти расчеты?

Трехмерное расположение центра тяжести транспортного средства (ЦТ) определяет, как вес распределяется в каждом измерении. Например, горизонтальное положение будет определять, какая часть общего веса будет приходиться на переднюю и заднюю оси, тогда как поперечное положение будет диктовать любое смещение веса из стороны в сторону на всех осях. Наряду с вертикальным положением ЦТ эта физическая характеристика влияет на динамические характеристики, торможение и управляемость автомобиля, поэтому OEM-производители устанавливают предельные размеры, чтобы гарантировать соответствие транспортных средств различным федеральным/канадским стандартам безопасности транспортных средств (F/CMVSS) и другим требованиям к характеристикам.

OEM-производители имеют различные ограничения для допустимых размеров центра тяжести, с которыми производители многоступенчатых систем должны сравнивать свои расчетные значения. Вертикальное положение ЦТ готового транспортного средства является обычно публикуемым пределом, обычно относительно земли или иногда верхней части рамы шасси. На легковых автомобилях могут быть дополнительные вертикальные ограничения только для комбинированного кузова и добавленного оборудования CG, которые влияют на аварийные характеристики различных F/CMVSS.

Несмотря на то, что физика расчета ЦТ автомобиля одинакова, важно сначала просмотреть неполный документ OEM-производителя шасси (IVD). Эти документы являются основой для определения соответствия транспортного средства действующему F/CMVSS, поэтому рекомендации, которые они предоставляют, будут специфичными для создаваемого вами транспортного средства и основаны на собственных испытаниях/разработках/анализе OEM-производителя на соответствие различным стандартам безопасности и выбросов. Поскольку во многих из этих стандартов учитываются вес и расположение центра тяжести, любые ограничения центра тяжести будут включены и/или упомянуты в различных заявлениях о соответствии, содержащихся в IVD.

OEM-производители могут использовать свои собственные формулы для этих расчетов. Хотя расчеты центра тяжести являются частью общего анализа веса, руководство OEM может потребовать расчета только одного или двух размеров центра тяжести. Например, сохранение фактической массы в пределах номинальной полной массы транспортного средства (GVWR) является важным начальным шагом в определении пригодности шасси для конкретного применения, которое не требует расчета координат центра тяжести. Или OEM-производитель может указать ограничение только для вертикального компонента ЦТ, чтобы сравнить его с установленным ограничением тормозной системы. Другие OEM-расчеты могут включать допустимый диапазон вертикального положения ЦТ готового транспортного средства в зависимости от горизонтального положения. Эти расчеты могут быть основаны на базовой математике OEM, которая уже учитывает ряд факторов, поэтому следование методам расчета в IVD имеет решающее значение для определения значений для сравнения с указанными пределами, даже если методы расчета выглядят иначе, чем традиционный баланс уравнения моментов для определения трех измерений ЦТ.

Дополнительные указания могут содержаться в информации производителей кузовов OEM-производителей, поэтому обязательно ознакомьтесь с этими материалами вместе с соответствующим IVD шасси для получения конкретных ссылок. Например, готовые автомобили, такие как пикапы, не поставляются с IVD, но производители по-прежнему руководствуются теми же соображениями в отношении соответствия требованиям F/CMVSS при снятии коробки и других операциях с измененной ступенью. Рекомендации по снятию коробки звукоснимателя часто имеют те же критерии, что и неполная версия тех же звукоснимателей, предлагаемая OEM-производителем с удалением коробки звукоснимателя. Таким образом, несмотря на то, что информация производителя кузова и IVD для пикапов без коробки могут иметь перекрестные ссылки и предоставлять одни и те же ограничения CG и методы расчета, требуется осторожность, чтобы гарантировать, что модель пикапа, рассматриваемая для снятия коробки, включена как часть руководства OEM для того модельного года.

Помните, что определение положения ЦТ транспортного средства само по себе не является целью этих расчетов, а является частью общего анализа веса для F/CMVSS и соответствия требованиям по выбросам, ограничений веса моста, соображений буксировки и базовой пригодности шасси для применения.

Найдите инструменты калькулятора центра тяжести и веса по адресу ntea.com/weightcalculator .

Изменения высоты центра тяжести автомобиля и коэффициента статической устойчивости от 1971 до 2020 года с использованием измерений устойчивости при опрокидывании NHTSA LVIPD и NCAP

Определение центра тяжести автомобиля имеет основополагающее значение для динамики автомобиля. Это
точка, которую можно использовать для описания движения твердого тела, когда оно
под действием результирующей силы. Его внутреннее влияние на динамику автомобиля
Производительность делает его основным фактором при проектировании и настройке шасси.

Получение данных о центре тяжести автомобиля затруднено. Измерение местоположения
центра тяжести транспортного средства требует специального оборудования, такого как K&C
машина или наклонный стол.

Чтобы решить эту проблему, мы обратимся к историческим данным, чтобы получить оценку. А
Подход, основанный на данных, может обеспечить жизнеспособное приближение, предполагая, что
Архитектура современных легковых автомобилей не изменилась за последние десятилетия.

В этом исследовании мы рассмотрим Национальную программу безопасности дорожного движения и дорожного движения.
База данных параметров инерции легковых автомобилей Администрации (NHTSA) и NCAP
Наборы данных об устойчивости при опрокидывании для определения тенденций изменения центра тяжести автомобиля.
(CG) и коэффициент статической устойчивости (SSF).

Свойства транспортного средства

Расположение центра тяжести — это точка, в которой транспортное средство может
анализируется как частица. При вращательном анализе результирующие моменты о
центр тяжести исключает компоненты линейно-вращательной муфты из
уравнения движения.

Центр тяжести автомобиля состоит из продольной, поперечной и
вертикальные компоненты. Эти компоненты определяются как относительные расстояния от
ось, центральная плоскость автомобиля и земля соответственно. особенно
представляет собой высоту центра тяжести, представленную следующим
переменная.

• Пусть \(h\) представляет вертикальное расстояние между центром тяжести транспортного средства и землей [м]

Эти значения могут быть представлены в безразмерной форме: продольное
распределение веса, поперечное распределение веса и коэффициент статической устойчивости.
Нас конкретно интересует коэффициент статической устойчивости, который будет
представлена ​​следующей переменной.

• Пусть \(\textrm{SSF}\) представляет собой статическую устойчивость транспортного средства [-]
  • Где \(\textrm{SSF} = \frac{T_{avg}}{2h}\)

Мы также обращаем внимание на физическую геометрию автомобиля, в частности
ширина колеи и высота крыши.

• Пусть \(T_{avg}\) представляет собой среднюю ширину колеи передней и задней осей [м]
• Пусть \(H\) представляет собой максимальное расстояние по вертикали между крышей и землей [м]

Этот анализ фокусируется на факторах, влияющих на высоту ЦТ и SSF. Эти
параметры сильно влияют на динамические характеристики автомобиля и опрокидывание
стабильность.

Набор данных

В этом исследовании используется база данных параметров инерции легковых автомобилей NHTSA и
Измерения устойчивости при опрокидывании для NCAP с 2001 по 2020 годы.
наборы данных находятся в открытом доступе в соответствующих организациях.
комбинированный очищенный набор данных состоит из 1270 точек данных и включает модель
за период с 1971 по 2021 год.

В рамках этого анализа мы имеем в виду два сегмента транспортных средств: легковые и грузовые автомобили.
Стили кузова автомобилей в каждом сегменте перечислены ниже.

• Легковые автомобили : седаны, кабриолеты, купе, хэтчбеки и универсалы
• Грузовые автомобили : внедорожники, пикапы, минивэны и коммерческие фургоны

Тенденции

Высота центра тяжести и масса автомобиля

Чтобы начать наш анализ, мы определяем, существует ли корреляция между
высота центра тяжести и масса автомобиля.

Боке График

На этом графике видны два кластера, представляющие разницу между
автомобили и грузовики. Кластер для автомобилей имеет более низкий средний центр тяжести
высота, чем кластер для грузовиков. Высота центра тяжести имеет слабую
положительная корреляция с массой автомобиля для легковых автомобилей и небольшая положительная
корреляция для грузовых автомобилей.

Коэффициент статической устойчивости в зависимости от массы автомобиля

На этой диаграмме мы получаем первое сравнение статических характеристик автомобиля
устойчивость к опрокидыванию. Коэффициент статической устойчивости можно интерпретировать как боковую
G автомобиль может выдержать без опрокидывания.

Боке График

Мы снова видим скопление легковых и грузовых автомобилей, причем автомобили обычно имеют
выше SSF, чем грузовики. SSF имеет небольшую положительную корреляцию с массой автомобиля.
для легковых автомобилей и не имеет корреляции для грузовых автомобилей.

Коэффициент статической устойчивости в зависимости от отношения высоты крыши транспортного средства к средней ширине колеи

Сравнение коэффициента статической устойчивости с соотношением между крышей транспортного средства
высота и средняя ширина колеи интересны из-за автомобиля
правила допуска к соревнованиям SCCA Solo. Чтобы свести к минимуму вероятность того, что автомобиль
опрокидывание, раздел 3.1.A свода правил предусматривает, что конкурирующие транспортные средства
отношение высоты крыши к средней ширине колеи должно быть меньше единицы. Однако,
Совет Solo Events Board (SEB) может в качестве альтернативы использовать коэффициент статической стабильности для
определить пригодность автомобиля. При применении этого правила SEB требует SSF
от 1,3 и выше.

Боке Plot

Отношение высоты крыши к средней ширине колеи, по-видимому, является допустимым показателем для
устойчивость при переворачивании. Коэффициент статической устойчивости отрицательно коррелирует с
Отношение высоты крыши к средней ширине колеи. Все транспортные средства в наборе данных, которые
Соответствовать требованиям соотношения высоты крыши к средней ширине колеи, иметь статическое
коэффициент стабильности не менее 1,2. Это не дискреционный SSF
порог 1,3, указанный в своде правил SCCA Solo. Следовательно, это означает
что транспортные средства, соответствующие критериям отношения высоты крыши к средней ширине колеи
не гарантируется право на участие в этих событиях.

Высота центра тяжести по сравнению с модельным годом

На этой диаграмме мы переключаем наше внимание на выявление тенденций с течением времени. дрожание
На диаграмме показано распределение высоты центра тяжести для каждого модельного года.
Это также дает представление о самом наборе данных.

Bokeh Plot

Как и на предыдущих графиках, здесь отчетливо видна разница в центре тяжести.
высота между легковыми и грузовыми автомобилями. Нет четкой тенденции в центре транспортного средства
гравитационная высота по времени.

База данных инерциальных параметров легковых автомобилей NHTSA охватывает годы выпуска, начиная с
с 1971 по 1998 год, но отсутствуют данные за большую часть 1990-х годов. Это не до
2001 мы видим регулярные измерения высоты CG, опубликованные как часть NCAP
программа.

Коэффициент статической устойчивости по сравнению с модельным годом

По мере развития технологий с течением времени мы ожидаем, что дорожные транспортные средства
чтобы стать безопаснее. Наблюдение за тенденциями коэффициента статической устойчивости с течением времени поможет
указать, так ли это.

Bokeh Plot

Промышленность, похоже, использует постепенный подход к улучшению опрокидывания
стабильность во времени. Наиболее ярко это видно в сегменте внедорожников. в
В 1970-х типичный внедорожник имел SSF примерно 1,1. В 2010-х гг.
ожидание 1,2 или больше. Аналогичное наблюдение можно сделать и для автомобилей. Этот
отлично подходит для безопасности дорожного движения и предотвращения опрокидывания.

Десятилетие	Ср. SSF, Автомобили [-]	Ср. SSF, Грузовики [-]
1970-е	1,337	1. 100
1980-е	1,343	1,138
1990-е	1,355	1,144
2000-е	1,397	1,178
2010-е	1.407	1,225

Средняя ширина колеи по сравнению с модельным годом

Статическая устойчивость со временем увеличивается, но высота центра тяжести остается неизменной
стационарный. Это означает, что с течением времени количество транспортных средств увеличивалось.
ширина. Мы можем подтвердить это понимание, изучив тенденции изменения средней ширины колеи.
через некоторое время.

График боке

На этом графике показано, что средняя ширина колеи автомобиля действительно увеличивается
время. Это означает, что прирост SSF является результатом увеличения размера транспортного средства,
а не производители автомобилей, проектирующие более низкий центр тяжести
высоты.

В этом исследовании мы определили тенденции изменения высоты центра тяжести автомобиля и
коэффициент статической стабильности с использованием набора данных, охватывающего более пяти десятилетий. Мы
обнаружил кластеризацию данных на основе классификации транспортных средств, в частности
был ли автомобиль легковым или грузовым. Растущая тенденция к статике
коэффициент стабильности во времени обусловлен увеличением колеи транспортного средства
ширина.

Для энтузиастов производительности, выбирающих автомобиль с максимально возможной
желателен коэффициент статической устойчивости, чтобы свести к минимуму негативное влияние нагрузки
передача и чувствительность шины к нагрузке. Для организаторов HPDE этот набор данных может быть
используется для проверки эффективности правил допуска транспортных средств на основе трека
ширина и высота крыши.

Обнадеживает тенденция увеличения коэффициента статической устойчивости автомобиля.
Независимо от того, интересуетесь ли вы характеристиками автомобиля или безопасностью дорожного движения,
тенденция многообещающая для будущего легковых автомобилей.

Ссылки

• Гинзберг, Дж. Х. (1998). Передовая инженерная динамика . Издательство Кембриджского университета.
• Национальные правила SCCA® Solo® (2022). Клуб спортивных автомобилей Америки, Inc.
• Вальц, MC (2005). Тенденции коэффициента статической устойчивости легковых автомобилей, легких грузовиков и микроавтобусов (№ HS-809 868).