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

9250

• Автомобили
• Тест-драйв

Как стать жертвой шведской контролируемой агрессии

9250

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.

Центр масс автомобиля | Калькулятор гравитации

Калькулятор центра масс автомобиля — это удобный инструмент, который оценивает расположение важного параметра вашего автомобиля, который невозможно определить с первого взгляда — центра тяжести . Все, что вам нужно, это автомобильные весы и расчеты, реализованные в нашем автомобильном калькуляторе центра тяжести. В следующей статье вы найдете пошаговую инструкцию о том, как найти центр тяжести автомобиля, какова важность этой величины (особенно центра тяжести гоночного автомобиля) и какова физика за этим.

Центр масс (или центр тяжести) имеет множество различных определений. Относительно транспортных средств можно сказать, что это уникальная точка, в которой автомобиль ведет себя так, как будто вся его масса

сосредоточена в этой точке . Если вы приложите какую-либо силу к этой конкретной точке, транспортное средство начнет двигаться в направлении этой силы без вращения . Для полного описания центра масс трехмерного объекта необходимо оценить три координаты:

• продольное положение (определяется расстояниями а и б ),
• высотное положение (определяется высотой h ),
• боковое положение (определяется расстояниями x и y ).

Там, где эти три координаты пересекаются в пространстве, находится фактический центр масс. Определение центра тяжести состоит из нескольких взвешиваний автомобиля в разных геометриях.

Дополнительно необходимо измерить такие параметры, как колесная база L (расстояние между передней и задней осями), радиус колес r , и высота, на которую были подняты колеса Н в случае высотного расположения, и колея автомобиля Т в случае бокового расположения (расстояние между колесами на одной оси).

Заинтересованы в физике автомобилей? Не медлите и воспользуйтесь нашим калькулятором автокатастроф! Там мы объяснили, насколько опасными могут быть автомобильные аварии и как ремни безопасности защищают вас от травм.

Как найти центр тяжести автомобиля?

Чтобы оценить точное положение центра тяжести вашего автомобиля, вам необходимо выполнить несколько измерений. В калькуляторе центра масс мы представили идею, как определить центр масс в одном, двух и трех измерениях для двух точечных масс. Однако наш калькулятор центра масс автомобиля более сложен, поэтому мы разделили пошаговую инструкцию на три части:

Продольное положение

1. Введите вес вашего автомобиля . Например, 3000 фунтов
2. Найдите колесную базу вашего автомобиля — измерьте расстояние между центрами двух колес разных осей. Допустим, это 8 футов
3. Поставьте передние (или задние) колеса на весы и измерьте вес передней (или задней) оси. Помните, что обе оси должны быть на одном уровне! Поэтому вам следует поставить другую ось на какую-нибудь платформу той же высоты, что и весы. Измеряемая масса должна быть примерно в два раза меньше общей массы автомобиля. Например, у нас есть 1800 фунтов
4. Считать полученные расстояния a и b , которые определяют продольное положение центра масс. В нашем примере a = 3,2 фута и b = 4,8 фута . Это означает, что центр тяжести автомобиля немного смещен вперед. Это наиболее частая ситуация, потому что почти в каждой машине очень тяжелый двигатель находится под капотом спереди.

Высотное расположение

1. Найдите продольное положение центра тяжести вашего автомобиля . Вы можете, конечно, использовать наш автомобильный калькулятор центра масс, чтобы сделать это. В нашем примере мы предполагаем, что у нас та же машина, что и раньше.
2. Решите , какую ось вы будете поднимать — переднюю или заднюю . Чтобы найти высоту центра масс, нужно немного приподнять одну из осей (как на рисунке выше). Например, мы приподняли переднюю ось.
3. Введите высоту, на которую была поднята выбранная ось по сравнению с другой осью. Чем выше вы поднимете колеса, тем более точный результат получите. Однако будьте осторожны при этом — защитит вашу машину от скольжения с весов! Всегда ставьте колодки под колеса и пользуйтесь стояночным тормозом. Высота 15 дюймов должна быть достаточно высокой, и это значение мы использовали в нашем примере.
4. Введите радиус колеса автомобиля . На практике это расстояние от центра колеса (оси) до земли. В нашем случае это 12 дюймов
5. Измерьте вес передней (или задней) оси. Неважно, измеряете ли вы вес поднятых колес или колес на земле. Поднятая ось должна весить немного меньше , чем измерено в горизонтальном положении автомобиля, а ось на земле должна быть немного тяжелее . Допустим, в нашем примере мы взвесили задние колеса и получили 1440 фунтов
.
6. Прочтите полученную высоту h , которая является высотой центра масс над землей . В нашем случае у нас около h = 5 футов .

Боковое расположение

1. Введите вес вашего автомобиля . Например, 3000 фунтов
2. Найдите колею своего автомобиля — измерьте расстояние между центрами двух колес одной оси. Допустим, это 4 фута.
3. Поставьте левые (или правые) колеса на весы и измерьте их вес. Помните, что все четыре колеса должны быть на одном уровне! Следовательно, вы должны поставить еще два колеса на какую-нибудь платформу той же высоты, что и весы. Измеряемая масса должна быть примерно в два раза меньше общей массы автомобиля. Например, у нас есть вес 1550 фунтов левого колеса.
4. Считать полученные расстояния x и y , которые определяют боковое положение центра масс. В нашем примере x ≈ 1,93 фута и y ≈ 2,07 фута . Автомобили обычно симметричны по развесовке в виде спереди и центр тяжести будет примерно посередине x ≈ y .

Перед тем, как начать измерения. Имейте в виду, что любой багаж (например, огнетушитель) и человек внутри автомобиля влияют на центр масс. Убедитесь, что давление в шинах установлено правильно, а ваш автомобиль заправлен. Если вы проводите измерения в одиночку, вы можете использовать гири, которые напоминают ваш вес на водительском сиденье.

Значение центра тяжести

Распределение веса имеет важное значение при управлении транспортным средством . Он определяет реакцию автомобиля на действия водителя и то, как он движется по дороге. Центр тяжести гоночного автомобиля имеет решающее значение для баланса и рулевого управления .

Продольное положение центра масс относительно колесной базы определяет передачу нагрузки между передними и задними колесами. Автомобиль будет наклоняться соответственно вперед и назад при торможении и ускорении. С одной стороны, автомобиль со значительно более высокой весовой нагрузкой на заднюю ось стремится к недостаточная поворачиваемость — машина недостаточно поворачивает и уходит с дороги. С другой стороны, автомобиль поворачивает более резко, чем предполагалось, и может даже попасть в штопор, если на переднюю ось будет возложена гораздо большая весовая нагрузка. Эта ситуация называется избыточной поворачиваемостью . На схеме ниже недостаточная поворачиваемость представлена ​​слева, а избыточная – справа.

Высотное положение центра масс относительно колеи автомобиля определяет передачу нагрузки из стороны в сторону. Этот параметр равен важно при прохождении поворотов . Автомобили с высоким высотным центром масс будут чаще наклоняться при повороте и даже могут опрокинуться . Низкий центр тяжести гоночного автомобиля является основным преимуществом в производительности, особенно по сравнению с внедорожниками. Кузов этих спортивных автомобилей часто изготавливают из легких материалов, чтобы еще больше снизить центр тяжести. Это причина того, почему автомобили Формулы-1 такие низкие (их центр тяжести всего около 10 дюймов в высоту).

Центр тяжести также имеет решающее значение в автомобильных трюках. Вы можете узнать больше об этом в нашем калькуляторе расстояния прыжка на машине!

Какая физика стоит за вычислениями?

В следующем разделе мы попытаемся объяснить, как вывести все необходимые формулы для центра масс автомобиля. При равновесии полная сила и, главное, полный крутящий момент), действующие на объект, равны нулю. Это отправная точка для наших рассуждений.

Продольное положение

Предположим, что обе оси автомобиля лежат на весах, как на рисунке выше. Согласно III закону движения Ньютона, на каждое действие есть равное и противоположное противодействие. Вот почему есть три силы: гравитационная сила Fg , действующая на центр масс, сила реакции Fb , действующая на заднюю ось, и сила реакции Fa , действующая на переднюю ось.

Суммарный крутящий момент вокруг любой точки должен быть равен нулю. Напомним, крутящий момент представляет собой простое произведение силы на длину плеча, когда вектор силы и плеча перпендикулярны друг другу (подробнее эту физическую величину мы описали в калькуляторе крутящего момента). Суммируем крутящие моменты вокруг задней оси:

Fb * 0 + Fa * L - Fg * b = 0 ,

и после тривиального преобразования

b = L * (Fa / Fg) ,

где Fa фактически вес 9 мерил по шкале под передним мостом . Точно так же мы можем суммировать крутящие моменты вокруг передней оси, и мы получим:

a = L * (Fb / Fg) ,

, где Fb , следовательно, вес, измеренный на весах под задними колесами. ось .

Высотное положение

Расчет высотного положения центра масс немного сложнее, но идея остается той же . Поднимем переднюю ось. Мы хотим суммировать каждый крутящий момент вокруг определенной точки и приравнять его к нулю. Есть еще три силы, но две силы реакции немного отличаются . Возьмем сумму крутящих моментов вокруг передней оси:

Fa' * 0 + Fb' * L*cosθ - Fg * |AC| = 0 ,

, где Fa' и Fb' - это веса , измеренные на весах под, соответственно, передней и задней осями . Длина L*cosθ может быть получена непосредственно из рисунка выше. Угол θ технически сообщает нам , насколько высоко мы подняли одну из осей . Теперь все, что нам нужно, это оценить длину |AC| . Мы можем сделать это с помощью нескольких наблюдений:

1. Есть три подобных треугольника с углом θ . На рисунке выше они красные. Калькулятор подобных треугольников может быть очень полезным инструментом для понимания этой концепции.
2. Расстояние |AB| = |DE| = (h - r) * sinθ , где h — высота центра масс, а r — радиус колеса.
3. Расстояние |BC| = |ЕС| * cosθ = a * cosθ , где a — предварительно оцененное продольное положение.
4. Наконец, расстояние |АС| = |АВ| + |БК| = (h - r) * sinθ + a * cosθ .

Мы можем подставить последний результат в суммирование крутящих моментов и после нескольких преобразований: θ) — функция котангенса, а угол θ = asin(H/L) — функция арксинуса. В конце концов, мы можем переписать его, заменив a = L * (Fb / Fg) :

h = (Fb' - Fb)/Fg * L * cot(θ) + r ,

где Fb' - Fb есть изменение веса задней оси после поднятия передних колес . Аналогичный подход может быть реализован с суммированием крутящего момента вокруг передней оси:

h = (Fa - Fa')/Fg * L * cot(θ) + r ,

и в этом случае Fa - Fa ' — это изменение веса передней оси после подъема передних колес .

Боковое положение

Расчеты бокового расположения центра масс так же просты, как и оценка продольного положения. Предположим, что левые колеса лежат в одной шкале, а правые — в другой. Есть три силы: гравитационная сила Fg , действующая на центр масс, сила реакции FL , действующая на оба левых колеса, и сила реакции FR , действующая на оба правых колеса. Суммируем крутящие моменты вокруг левых колес (фактически вокруг центральной точки между двумя левыми колесами):

FL * 0 + FR * T - Fg * x = 0 ,

и, следовательно,

x = T * ( фр/фг) .

Аналогично с правыми колесами:

y = T * (FL/Fg) .

Теперь вы знаете, как найти центр тяжести автомобиля. Наш калькулятор центра масс автомобиля использует все приведенные выше уравнения и, таким образом, упрощает вычисления . Просто воспользуйтесь нашим инструментом и убедитесь, как быстро он работает!

Как рассчитать Центр гравитации

от Стива Спата, директор по технической помощи NTEA
Встреча с нашими экспертами

Эта статья была опубликована в июле.

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 автомобиля (ЦТ) определяет распределение веса 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 ЦТ, 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 быть предоставлены в информации OEM-производителей кузовов, 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.