Hversu mikilvæg eru áhrifin af því að skipta út fyrir léttari-hjól?

Kjarninn í því að skipta um hjólnafinn er að draga úr fjöðruðum massa (fegurð er aukaatriði).

Hvað er sprunginn massi?
Bláu línurnar tákna líkamshlutann, þær rauðu eru hjólin og hin röð íhlutanna. Tengingin á milli þeirra er gulu línurnar sem tákna gorma og græni hlutinn sem táknar höggdeyfana. Auðvitað er líka röð fjöðrunarbúnaðar á bílnum til að hefta hreyfingu hjólanna. Þessum hluta er sleppt hér vegna reynsluleysis.
Byggingarlega séð inniheldur fjaðrandi massahlutinn rauða, gula og græna hlutana sem sýndir eru á myndinni, nefnilega (en ekki takmarkað við): hjólnafurinn, dekkin (þar á meðal skrúfur), spennustangirnar, gormarnir, höggdeyfarnir, böndin, bremsusamstæðan (bremsutromma eða bremsudiskur + belg) og fyrir sumar gerðir brúarskaftsins, o.s.frv.
Reyndar er hægt að hugsa þetta svona: Ástæðan fyrir því að myndin er teiknuð á svona undarlegan hátt er sú að fólk sem hefur enga hugmynd um fjaðrandi og ófjöðraðan massa ímynda sér bílinn sem slíkan: bílnum er hægt að skipta í tvo hluta, annar hluti er sá hluti sem rúllar fram á við á móti jörðinni og eftir að hafa fjarlægt gorma og höggdeyfa er samt hægt að setja hann á jörðina jafnt og þétt. Þessi hluti er ósprunginn massi. Hinn hlutinn er efri burðarvirkið þar sem farþegarnir sitja og ef fjöðrunin er fjarlægð mun þessi hluti falla saman og kyssa jörðina. Það verður að vera með gorma og höggdeyfum til að styðja við þennan hluta. Og þessi hluti er sprunginn hluti. Hlutarnir tveir eru tengdir saman með gormum og höggdeyfum. (Auðvitað eru gormar og höggdeyfar almennt talin ófjöðraður massi.)

Að skilja þetta er að skilja grundvallaratriði þessa vandamáls. Þetta er líka ástæðan fyrir því að ég er ekki sáttur við þær skýringar á hagræðingu á fjöðruðum massa sem finnast í núverandi bílamiðlum, sem er að smíða þetta einfaldaða líkan og hugsa síðan um hagræðingu á fjöðruðum massa. Þetta verður mun skýrara eftir að hafa skoðað það.

Mikilvægi þess að minnka sprungna massann
Það er svona orðatiltæki: 1 kíló af fjöðruðum massa, 10 kíló af ósprengdum massa. Þetta þýðir að með því að draga úr fjöðruðum massa um 1 kg náist hagræðingaráhrif sem jafngilda því að skera 10 kg úr ófjöðruðum massanum. Þessari yfirlýsingu er auðvitað aðeins dreift meðal þjóðarinnar og raunin er flóknari. Það þarf að skoða það út frá tveimur hliðum: að íhuga sérstaklega ávinninginn af því að draga úr fjöðruðum massanum og ítarlega íhuga áhrif fjöðraðs og ófjöðraðs massa á bílinn.
Í fyrsta lagi skulum við líta á hvers konar áhrif sem draga úr sprettmassanum mun hafa.
Það kemur aðallega fram í hröðun og hraðaminnkun.
Þetta er það sem átt er við með 1 kíló af fjöðruðum massa og 10 kíló af ósprengdum massa.

Meginreglan er auðskilin. Sem íhlutur sem er beintengdur við ásinn hefur snúningstregða hjólnafsins og dekkjanna mjög bein áhrif á frammistöðu. Hvort sem það er 250 PS eða 280 PS, 350 Nm eða 420 Nm, þá verður þú fyrst að sigrast á snúningstregðu hjólnafsins og hjólbarða áður en togið getur borist í gegnum hjólnafinn og dekkin til jarðar. Með því að draga úr þyngd hjólnafsins og hjólbarða (þar á meðal bremsudiskurinn sem snýst) getur það gert kraftflutninginn beinari.

Hins vegar, bara með hliðsjón af áhrifum þess að draga úr snúningstregðu á hröðun og hraðaminnkun, þá er ekkert að gera með belg og bindistangir. Vegna þess að þeir snúast ekki með hjólunum er hindrunargeta þeirra ekkert frábrugðin ófjöðruðum hlutanum. Af hverju hugsa þá þeir sem hafa gaman af að skipta um belg og diska og vilja vigta þá svona?
Þetta felur í sér annan þátt í huga.
Hlutfall fjaðraðs og ófjöðraðs massa
Þetta krefst þess að nota einfaldaða líkanið sem var búið til áður.
Fyrir bíl er vegyfirborðið örugglega ekki eins slétt og spegill. Svo ekki sé minnst á ýmsar holur, hraðahindranir, brunahlífar og ýmsir steinar valda titringi og ef vel er fylgst með malbikunarveginum er yfirborðið frekar gróft.
En í þægilegum bíl finnst okkur hann silkimjúkur. Auk þess að nota mýkri gorma og höggdeyfa samsetningu er aukning á hlutfalli fjöðraðs og ófjöðraðs massa einnig áhrifarík leið.
Vörubílar hafa svo áhugaverðan eiginleika: þegar hann er tómur hristist farartækið hræðilega og það þarf að hlaða einhverju til að keyra almennilega.

Ástæðan fyrir þessu er sú að hlutfall sprungins og ófjöðraðs massa hefur aukist.

Við skulum fara aftur í einfaldaða líkanið. Allt skoppið á veginum er í upphafi borið á ófjöðraða hlutann. Skoppun ófjöðraða hlutans þarf þá að hafa áhrif á fjaðrandi hlutann í gegnum gorma og höggdeyfa. Í kyrrstöðu er þyngdin sem gormarnir bera þyngd fjaðraði hlutans. Þegar ófjöðraði hlutinn skoppist, ef gormarnir þjappast saman eða stækka, mun það trufla jafnvægið og mynda aukinn þrýsting. Samkvæmt öðru lögmáli Newtons mun þrýstingurinn sem gormarnir beita á ófjöðraða hlutann einnig beita jafnt á fjaðrandi hlutann. Á þessum tíma eru tveir valkostir (eða hægt að nota báða):

Fyrst skaltu auka massa fjaðrandi hlutans, rétt eins og að hlaða vörubíl með því að auka massa fjöðraðs hlutans til að veikja hröðunina sem stafar af því að ófjöðraði hluturinn skoppist í gegnum gorma. Í hnotskurn er það miðað við þyngd ökutækisins að halda skoppinu niðri.
Í öðru lagi, minnkaðu massa ófjöðraða hlutans, þannig að frákastkrafturinn sem þarf til að ófjöðraði hlutinn framkalli sama skopp minnkar, til að draga úr áhrifum á fjaðrandi hlutann.

Í stuttu máli þarf að auka hlutfall massa fjaðraðra og ófjöðraðra hluta.
Auðvitað er kjöraðstaðan sú að massi fjaðraðra og ófjöðraðra hluta minnki bæði, en minnkunin á ófjöðruðum hlutanum er meiri en í fjöðruðum hlutanum. Heildarhlutfall massa fjaðraðra og ófjöðraðra hluta eykst enn.
Því segja sumir oft að þyngri farartæki keyri stöðugra á miklum hraða. Þetta er nokkuð sanngjarnt, en réttari staðhæfing er sú að hlutfall massa fjaðraðra og ófjöðraðra hluta er mikið og það keyrir stöðugra.

Ómissandi gormar og höggdeyfar
Sem hluti sem tengir tvo hlutana saman og er ábyrgur fyrir að styðja, senda kraft og deyfa högg, hefur val á gormum og höggdeyfum meiri áhrif. Hversu mikið afl skopps ófjöðraða hlutans endurkastast til fjöðraða hlutans ræðst meira af gormunum og höggdeyfunum.
Svo: Breytingar eru kerfisbundið verkfræðilegt ferli og það er nauðsynlegt að forðast einhliða-breytingar.