Hogyan javítják a teljesítménykerekek a fékezést és a gyorsulást

A forgási tehetetlenség tudománya és hatása a jármű teljesítményére

A rotációs tömeg megértése és hatása a jármű teljesítményére

A kerék felgyorsításához vagy lelassításához szükséges energia mennyisége a forgási tehetetlenségtől függ. Gondoljunk vissza azokra a régi játszótéri hintákéra – amikor a gyerekek a külső szélen ültek, sokkal nagyobb erőfeszítés kellett ahhoz, hogy mozgásba hozzák vagy megállítsák azt. A nehezebb peremű kerék hasonló jelenséget mutat, és a Cerebrum Sensor 2023-as tanulmányai szerint körülbelül 18–22 százalékkal nagyobb a forgási tehetetlensége. Mit jelent ez gyakorlatban? Az motoroknak több munkát kell végezniük, miközben a fékrendszerek is nagyobb terhelésnek vannak kitéve, mintha váratlan díjat kellene fizetni, amit senki sem kíván. Ezért választanak napjainkban sokan könnyűsúlyú teljesítménykeréket. Ezek a speciális kerékek csökkentik a forgó tömeget, így a járművek gyorsabban gyorsulnak fel, és hatékonyabban reagálnak a fékezéskor.

Hogyan javítja a forgási tehetetlenség csökkentése a gyorsulási hatékonyságot

Körülbelül 10%-kal csökkenteni a kerék és a gumi forgási tehetetlenségét jelentős különbséget jelent abban, hogy milyen gyorsan éri el az autó a 60 mérföld/órás sebességet álló helyzetből. A fizikai háttér meglehetősen egyszerű, ha a forgási energia számításait vesszük alapul, valami olyasmit, mint E egyenlő egyketted I omega négyzet. Így tehát csupán egy font tömegcsökkentés a forgó alkatrészeknél körülbelül ugyanolyan előnyt jelent, mintha a jármű testéből két-három fontot venne le az ember. Ezért is hajlandóak a versenyistállók gyakran drága magnézium- vagy szénrosta kerékre költeni, annak ellenére, hogy azok ára az egeket veri. Az alacsonyabb tehetetlenség azt jelenti, hogy az autók sokkal gyorsabban hagyhatják el a kanyarokat, ami jobb köridőkkel jár a pályán. A legtöbb szakember jól ismeri ezt, de kevesek a sporton kívül igazán megértik, mennyire jelentősek ezek a kis tömegcsökkentések nagy sebességnél.

A kerék súlyának hatása a fékezésre: A lassulás fizikája

A nehezebb kerekek nagyobb szögsebességet hoznak létre, ami azt jelenti, hogy a járművek hosszabb idő alatt tudnak megállni. A MotorTrend 2023-ban közzétett néhány friss teszt szerint, ha lecseréli azokat a nehéz, 28 fontos öntöttötvözet-kerekeket könnyebb, 19 fontos űrtartalmú kovácsolt kerékre, akkor kb. 4 lábbal csökkenthető a féktávolság 60-ról 0 mph-re. A fékeknek nemcsak a jármű előrefelé irányuló mozgásával, hanem a kerekekben tárolt forgó energiával is ellen kell dolgozniuk. Ezért amikor gyorsabb megállásról van szó, a forgó tömeg csökkentése kulcsfontosságúvá válik a jobb lassulási teljesítmény érdekében.

Valós körülmények között végzett tesztek adatai a kerék tömegének csökkentéséről és a reakcióidőkről

Dinamométeres vizsgálatok 18 fontos és 25 fontos kerékegységek összehasonlításáról számottevő teljesítménybeli különbségeket mutattak ki:

• 0,3 másodperces javulás a 0—60 mph-es gyorsulásban könnyebb kerekekkel
• 2%-os növekedés a maximális kanyarodási tapadásban a rugózatlan tömeg csökkenése miatt
• 15%-kal alacsonyabb fékbetét-hőmérséklet ismételt 80 mph-es megállások során

Ezek az eredmények megerősítik, hogy a forgási tehetetlenség csökkentése valós előnyökkel jár a mindennapi közlekedésben és pályafutamokon egyaránt.

Túlhangsúlyozott-e a forgási tehetetlenség az autórajongói körökben?

A forgási tehetetlenség nagy szerepet játszik a versenyzők körében, de az átlagos utcai vezetők számára talán nem éri meg ennyi felhajtás. Egy tavalyi kutatás szerint a hétvégi pályafutamokra látogatók körülbelül hatoda vakteszt során nem érzékelt különbséget akkor sem, ha az autók kerekeinek tömege legfeljebb öt fonttal különbözött egymástól. Ennek ellenére teljesen érthető, hogy valaki odafigyeljen a forgási tömegre, ha a vezetési körülmények a jármű teljesítményhatárának közelébe kerülnek. Azok számára, akik tényleges versenypályákat vagy kihívást jelentő hegyi utakat járnak, ahol minden tört másodperc számít, a forgási tehetetlenség finomhangolása továbbra is az egyik legjobb módja annak, hogy javítsák az autó kezelhetőségét és pontosabb válaszidejét.

Könnyű anyagok és az el nem rugóztatott tömeg csökkentése teljesítményorientált kerekeknél

Az alumínium, magnézium és szénrosta előnyei teljesítményorientált kerekek gyártásánál

A mai teljesítménykerekek olyan lenyűgöző anyagokra épülnek, amelyek kiváló egyensúlyt teremtenek a szükséges szilárdság, alacsony tömeg és hosszú élettartam között. A legtöbb gyártó komoly teljesítményalkalmazásoknál alumíniumötvözeteket használ, mivel ezek akár 30–40 százalékkal csökkentik a súlyt a hagyományos acélkerekekhez képest, miközben még mindig ellenállnak a terhelésnek. Ha az előkészített költségvetés ezt lehetővé teszi, a magnézium még tovább lép, az iparági jelentések szerint tavaly körülbelül 18 százalékkal könnyebb kerekeket eredményezve az alumíniumhoz képest. Ezek a magnézium kerékviszonylag érzékenyek az időjárás hatásaira, így speciális bevonatok alkalmazása szükséges, máskülönben hajlamosak a korrózióra. Azután ott van a szénszálas anyag, amelyről a versenyzők álmodoznak. Egy 2023-ban végzett teszt szerint a szénszálas kerekek akár 27 százalékkal gyorsabban forognak, mint az űrtartalmú alumínium kerekek. Ez azt jelenti, hogy az autók gyorsabban váltanak fokozatot, és jobban reagálnak, amikor a vezető keményen lenyomja a gázpedált.

Hogyan javítja a csökkentett nem felfüggesztett tömeg a gyorsulást és a felfüggesztés válaszidejét

Minden 1 fonttal csökkentett nem felfüggesztett tömeg (a felfüggesztés alatti alkatrészek) háromszoros teljesítménybeli előnyt nyújt egy azonos járműtömeg-csökkentéssel szemben, a motorsport mérnöki szabványok szerint. a könnyebb kerekek 22%-kal hatékonyabban tartják a tapadást egyenetlen terepen (MTS Laboratories 2023), ami a következő eredményekhez vezet:

• 0,15 másodperccel gyorsabb 0—60 mph-es gyorsulás a teljesítményorientált szedánokban
• 2,1%-os javulás a kanyarodási tapadásban kanyarváltások során
• Csökkent kerekek ugrálása agresszív indulásnál AWD-alapú járműveknél

Ez az optimalizálás biztosítja, hogy a felfüggesztés geometriája hatékonyan működjön, ne pedig a nehéz forgó alkatrészek tehetetlenségi ereje terhelje túl.

Fékhatás javulása könnyebb kerekeknél: Rövidebb féktávok magyarázata

A könnyebb kerekek a fékezést két kulcsfontosságú mechanizmussal javítják:

1. Alacsonyabb forgási energia : Autópályai sebességnél egy 19 colos öntött kerék több mint 32 000 joule energiát tárol. Kerékenként 5 font tömegcsökkentés csökkenti az energiamennyiséget, amelyet a fékeknek vészfékendezéskor el kell szórni 18%vészfékendezéskor.
2. Javított tapadási felület stabilitása : Független tesztek kimutatták, hogy a szénrosta kerékkel felszerelt járművek 12 lábbal rövidebb távon álltak meg 12 lábbal rövidebb 70 mph-ről, mint az alumíniumkerékkel felszereltek, köszönhetően az alacsonyabb rugó alatti tömegnek, amely állandó gumiabroncs-út érintkezést biztosít (MTS 2023).

Ezek az előnyök különösen értékesek az elektromos járműveknél, ahol a könnyebb kerekek növelik a generátoros fékezés hatékonyságát és meghosszabbítják a hatótávot.

Kerék méret és gumiabroncs dinamika: A tehetetlenség és tapadás kiegyensúlyozása

Kerékátmérő kompromisszumok: Gyorsulási hatékonyság vs. forgási tömeg

A nagyobb kerekek valóban jobb tapadást biztosítanak, mivel nagyobb érintkezési felületet hoznak létre az úttesttel. Ugyanakkor itt kompromisszum van jelen, mivel a nagyobb kerekek nagyobb forgási tömeget is jelentenek, így nehezebb őket gyorsan pörgetni. A SAE International 2023-ban elvégzett futóműdinamométeres tesztek szerint csupán egy font (kb. 0,45 kg) kerék tömegcsökkentése körülbelül 0,1 másodperccel rövidítheti az autó 0-ról 60 mph-re (kb. 97 km/h) gyorsulási idejét. Vegyük például a 20 colos kerekeket: ezek kb. 12 százalékkal növelik a tapadást erős kanyarodás közben. Ugyanakkor ugyanezek a kerekek 28 százalékkal nagyobb forgási tehetetlenséggel rendelkeznek, mint a kisebb, 18 colos alternatívák, így az autóknak álló helyzetből történő mozgásba lendüléshez kb. 15 százalékkal több teljesítményre van szükségük. Ez a tapadás és a gyorsulás közötti egyensúly nyugtalanítja az autótervezőket.

Fékezési kar és tehetetlenség: Hogyan befolyásolják a nagyobb kerekek a fékteljesítményt

Amikor a fék működésbe lép, meg kell küzdenie a kerekek forgó mozgásával, mielőtt a súrlódás valóban lassítani kezdi a járművet. A NHTSA 2022-es kutatása szerint az ABS által vezérelt hirtelen vészhelyzet-megállások során a nagyobb kerekek valójában több erőfeszítést igényelnek a fékrendszer részéről. Konkrétan egy 22 hüvelykes öntött alumínium kerék kb. 27 százalékkal több nyomatékot igényel, mint a kisebb, 19 hüvelykes változata, pusztán azonos féktávolság elérése érdekében. Bár a nagyobb fékrotorok bizonyos mechanikai előnyökkel is rendelkeznek, ez a növekedett ellenállás olyan tényezővé válik, amellyel a gyártóknak számolniuk kell, amikor magas teljesítményű kerekeket terveznek mindennapi használatra.

Esettanulmány: 18 hüvelykes és 20 hüvelykes teljesítménykerekek valós körülmények között

Azonos sportautók 12 hónapos pályatesztje kiemeli a különböző kerékméretek közötti kompromisszumokat:

A kisebb kerekek jobb gyorsulást, rövidebb féktávolságot és hosszabb futófelület-élettartamot biztosítanak. Bár a nagyobb kerekek enyhe előnyt jelentenek kanyarodáskor magas sebességnél, az összteljesítmény szempontjából az 18-as collos kialakítások kerültek előtérbe – ami megmagyarázza, miért részesítik előnyben sok versenyistálló a funkciót a formai megjelenéssel szemben.

A teljesítményorientált keréktervezés általi gumiabroncs-út interakció és súrlódás optimalizálása

Modern teljesítmény kerekek növelik a hajtóerőt a gumiabroncs-út érintkezési dinamikájának optimalizálásával. A mérnökök a futófelület-mintákat és a gumikeverékeket használják fel a súrlódási tényező (μ) maximalizálására, amely a keresztirányú tapadás és a függőleges terhelés aránya. Egy 2024-es anyagvizsgálat kimutatta, hogy a fejlett kerékkialakítások 12–15%-kal növelik az μ értékét száraz aszfalton a szabványos konfigurációkhoz képest.

A hajtóerő és a gumiabroncsok és útfelület közötti súrlódás maximalizálása

A teljesítménykerék növeli a tapadást a következők révén:

• Irányított futófelület-minták amelyek hatékonyan vezetik el a vizet, csökkentve a vízen csúszás kockázatát 30%-kal nedves időjárásban
• Változó merevségű oldalfalak amelyek egyenletes nyomást biztosítanak az érintkezési felület teljes hosszában
• Hőálló összetevők amelyek megőrzik az rugalmasságot huzamosabb kanyarodás során

Ezek a jellemzők együttesen biztosítják az optimális tapadást különböző vezetési körülmények között.

Érintkezési felület szabályozása és súrlódási tényező (Mu) finomhangolása

Az érintkezési felület méreteit adott vezetési helyzetekhez igazítják:

A teljesítményorientált kerekek hálósított öv rétegeket tartalmaznak, amelyek dinamikusan módosítják ezeket a paramétereket, és 4,7 méterrel rövidebb 70—0 km/h féktávolságot biztosítanak a hagyományos kerekekhez képest.

Gumik dinamikája nagy terhelésű gyorsulás és vészfékvezetés alatt

Erőteljes indulások során a teljesítménykerekek megerősített ülégrészét használva az abroncsdeformáció 18—22%-kal csökken, így 0,2 másodperccel gyorsabb 96 km/h elérési idő érhető el. Vészfékvezetésnél az optimalizált hőtömeg lehetővé teszi, hogy a kerekek 35%-kal több hőt vezessenek el, mint a szabvány egységek, ezzel megelőzve a súrlódás csökkenését és állandó fékerőt biztosítva ismételt terhelések során is.

Jövőbeli innovációk a teljesítménykerekekben a hatékonyság növelése érdekében

Új irányzatok a teljesítménykerekek tervezésében a gyorsabb gyorsulás érdekében

Az utóbbi időben sok szó esik a forgási tömeg csökkentésének módjáról a mérnöki világban, különösen olyan anyagok kapcsán, mint a grafénnel dúsított ötvözetek vagy az elegáns üreges küllőjű karbonszálas konstrukciók. A szakértők valójában izgalmas dolgokat jósolnak 2026-ra. Olyan kerekek, amelyek körülbelül 30%-kal csökkentik a tehetetlenségi nyomatékot, akár majdnem fél másodperccel is javíthatják a 0-ról 100 km/h-ra gyorsulási időt a hagyományos benzinüzemű autókban. Néhány gyártó egyre kreatívabb hibrid kovácsolási módszerekkel is, amelyek alumínium középrészeket kombinálnak karbonszálas külső részekkel. Ezek a kombinációk úgy tűnik, eltalálják azt az aranyközepet, amely a szilárdság és a könnyűség között húzódik: merevséget biztosítanak, miközben alacsonyan tartják a súlyt, mindezt anélkül, hogy veszélyeztetnék az alkatrészek élettartamát valós körülmények között.

Intelligens anyagok és adaptív rendszerek dinamikus fékvezérléshez

A következő generációs keréktárcsák alakmemória ötvözeteket és magnetoreológiai folyadékokat integrálnak, hogy valós időben alkalmazkodjanak. A beépített alakváltozási szenzorokkal rendelkező kísérleti modellek automatikusan megmerevítenek a küllőket erős fékezés közben, ezzel akár 12%-kal javítva a féktávolságot nedves útviszonyok között. Ezek a reaktív rendszerek az ABS-t egészítik ki, dinamikus vezérlés egy strukturális rétegével.

Teljesítménykerék integrációja elektromos jármű meghajtással

Az EV gyártók kerékpárokat fejlesztenek együtt regeneratív fékezési komponensekkel, indukciós tekercseket és mágneses elemeket közvetlenül a futóműbe építve. A korai prototípusok 7%-kal magasabb energia-visszanyerést mutatnak a hagyományos rendszerekhez képest. A csökkentett nem felfüggesztett tömeggel kombinálva ezek a tervek csökkentik a rugózás veszteségeit is, növelve az általános hatékonyságot és meghosszabbítva a menetelhordót.

GYIK

Mi az elfordulási tehetetlenség, és hogyan befolyásolja a jármű teljesítményét?
A forgási tehetetlenség a forgó test, például egy kerék sebességének megváltoztatásához szükséges erőfeszítésre vonatkozik. Járműveknél a nagyobb forgási tehetetlenség több energiát igényel a gyorsításhoz vagy lassításhoz, így befolyásolja a jármű teljesítményét.

Hogyan javítja a forgási tehetetlenség csökkentése egy autó gyorsulását és fékezését?
A forgási tehetetlenség csökkentése csökkenti a kerék felgyorsításához vagy lelassításához szükséges energiát, így az autó gyorsabban gyorsul és hatékonyabban fékez.

Milyen anyagokat használnak gyakran a teljesítményorientált kerekek súlyának csökkentésére?
A nagy teljesítményű kerekek gyakran könnyű anyagokat, például alumíniumötvözeteket, magnéziumot és szénrostot használnak a súlycsökkentés érdekében az erősség megtartása mellett.

Jelentős különbség van-e a kis és nagy kerekek teljesítménye között?
Igen, van. A kisebb kerékátmérő általában jobb gyorsulást és fékhatást biztosít, míg a nagyobb kerék jobb tapadást nyújthat. A tapadás és a gyorsulás közötti kompromisszum hatással van a kerék méretének kiválasztására, attól függően, hogy milyen konkrét vezetési igényekről van szó.

Miért részesítik előnyben a versenyistállók a szénrosta kerékpántokat?
A szénrosta kerékpántokat az alacsony súlyuk és nagy szilárdságuk miatt részesítik előnyben, amelyek gyorsabb gyorsulási reakciót és javított váltóhatékonyságot biztosítanak – elengedhetetlen tulajdonságok a versenyzés terén.