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标题: 棉花糖牌宝马教程十九:关于鞋子重量的粗糙计算 [打印本页]

作者: mianhuatang    时间: 2009-1-23 23:21
标题: 棉花糖牌宝马教程十九:关于鞋子重量的粗糙计算
很多改装车主买来车子的第一件事情就是换轮子,换大轮子,宽轮子。如果是为了追求视觉效果,没有任何问题。的确这些轮子的视觉效果是非常带有冲击力的,但是真正说到performance上面,就会大很多折扣了,我这里就从基本物理学角度来解释一下为什么轮子的尺寸和重量能如此重大的决定一辆车的性能。可惜我的数学功底实在太差,写出来的方程被大学里的数学分析老师称为非常粗糙,所以就为难各位的眼睛了,如果有任何错误请指正。还有这里的物理模型是最简单的近似模拟,就是写个意思而已。。。 假设一个理想质点m距离圆心距离为r,在轮子第一圈转动时,线速度是V1,因为在加减速过程中,到第二圈的时候,线速度是V2,变化量是∆V。动量的变化量是 线速度可以转写成角速度 所以 假设分配到轮子上的引擎输出没有改变,仍旧为P,那么因为P=E/t (单位时间内做工等于功率),加减速的时间可以写为 其中,质量m和半径r是关心的参数,别的都可以看作是不需要考虑的常量。 因为轮子上在不同半径的各个质点对时间的变化量的影响是不同的,所以就要进行积分 考虑到一个轮子可以简化成两个部分,钢圈和辐条。先考虑钢圈质量。钢圈可以简化认为是个内径为r1,外径为r2,宽度w1的空心圆柱体,密度为ρ。那么钢圈的质量和半径之间的关系可以写成为 接下来要考虑辐条的质量。因为轮子的设计大部分都是强调辐条的变化,所以要精确计算是十分困难的,一般只能通过实验来证明。但是我这里还是用最最简单的模型来模拟辐条。假设是个实心的轮子,那么就是一个半径为r1,厚度为w2,密度ρ的圆饼。那么质量可以写成 把以上的钢圈和辐条质量m1m2的公式带入时间方程里,而且因为m1m2在各自的定义域上才有意义,所以可以得到(本论坛不能显示大图片,这个公式右边的一些可能会显示不完全) 然后做个实际估算。比较计算19寸铝合金轮子,内径18寸,密度2.7g/cm^3,轮子宽度265毫米,辐条宽度1寸;同样的16寸轮子,内径15寸,相同密度,辐条宽度相同。带入计算我就不写了,实在太简单了。计算结果是同样条件下19寸轮子比16的加速时间要多34%。这也就是为什么专业赛车上绝对看不见1920寸轮子的原因,F1的轮子就更只有1314寸左右。当然我这里写的都是如何计算轮子尺寸,重量对加减速的影响,没有包括轮胎进去。其实16寸的轮胎一般比19寸的要大,但是因为橡胶的密度比铝合金要小得多,所以影响也同样的小很多。 当然如果有专用的数学模拟软件例如maple,以上的计算就能简单很多了。。。 其实这个计算可以应用到所有的转动质量(rotation mass)的计算上,例如刹车碟,轮胎等等。所以在合理范围内,使用尽可能小的转动组件,比轻量化的转动组件(公式 ,半径比质量更重要,因为半径的阶数更高)更能节约尽可能多的动力。 以上写的都是转动质量对加减速造成的影响。看清楚是加减速(这也就是为什么所有的参量上都有delta的存在),而不是匀速运动。一般而言,如果是看极速和巡航条件下的状况的话,转动质量一般不会产生任何的影响,因为这个时候所有带有delta的量全部是0,所以带入任何以上的公式,得到的都是0 [ 本帖最后由 mianhuatang 于 2009-1-23 23:23 编辑 ]
作者: zjet    时间: 2009-1-23 23:35
那我有个疑问想请问一下棉花糖,为什么欧美改装界在将马力大幅提高后,一般都要把轮毂的直径改大,使用宽扁胎,变成21甚至22的,是为了高速时的操控稳定性还是.....? 我今天到GPOWER的网站上看,加装双涡轮的M5动力提升到750匹,可以使用20,21,22的轮毂及相应轮胎.
作者: mianhuatang    时间: 2009-1-23 23:38
人家那是没办法,真正的改装厂如果只为了性能谁不愿意用小轮子? 真正的原因是,马力大了,刹车必须跟上,如果用小轮子的话,根本净空就不够,355毫米的刹车碟+刹车钳根本不能fit进16寸的轮子。据我所知355的刹车碟最少需要19寸轮子(correct me if i am wrong)。宽轮子是为了增强抓地力,减少wheel spin。看我下次的教程吧,准备说说刹车的 另外还有一小部分原因就是视觉效果。
作者: zjet    时间: 2009-1-23 23:43
我也是这么想的,动力提升后,为了提高刹车的效能,必须增加刹车盘的直径...
作者: zjet    时间: 2009-1-23 23:44
静听棉花糖下回分解!
作者: lance    时间: 2009-1-24 18:19
本来想把16寸的胎铃换成18寸的,看棉花糖的说法对加速影响很大啊,320换18寸铃起步会不会跑不过捷达啊 。16寸的看久了实在觉得不好看,听4S说换大胎铃,避震会更硬,有没有同学换过的说一下感受。
作者: 大众铁托    时间: 2009-1-25 14:18
哇靠,微积分都整出来了,表笑,偶看到这个符号就陷于半晕厥状态。。。
作者: 大众铁托    时间: 2009-1-25 14:21
对这个问题我到一直有个困惑,极端追求性能的F1赛车,到的确用的轮毂不大,偶一直不得其解,估计大概就是棉花兄理论的一个证明吧?
作者: mianhuatang    时间: 2009-1-25 15:41
原帖由 大众铁托 于 2009-1-25 02:21 PM 发表 对这个问题我到一直有个困惑,极端追求性能的F1赛车,到的确用的轮毂不大,偶一直不得其解,估计大概就是棉花兄理论的一个证明吧?
嗯,的确。F1上根本用不了那么大的轮子,只要能clear了刹车就好。 人家降低转动质量的方法是使用镁合金的轮子,因为镁合金的强度比较高,要达到同样强度,需要的质量就少一些。再加上小轮子,冲氮气的轮胎,轻量化的轮胎编织金属网。。。 上次我再SEMA上看见bbs展示他们的F1轮子,吓死人了,一只手可以轻易抓起来2个,我现在的轮子2只手差不多抓起来1个。。。
作者: 毛毛    时间: 2009-1-25 17:15
原帖由 mianhuatang 于 2009-1-23 23:21 发表 很多改装车主买来车子的第一件事情就是换轮子,换大轮子,宽轮子。如果是为了追求视觉效果,没有任何问题。的确这些轮子的视觉效果是非常带有冲击力的,但是真正说到performance上面,就会大很多折扣了,我这里就从基本物理学角 ...
棉兄的专业精神确实令人敬佩!但实际上的使用效果上并不完全如此,具体说,本人就是用16"改为19"轮圈的,按照理论,其他条件完全相同的情况下,我的320i,0~100KM/M提速应该从9.8秒变为13.13秒(9.8*1.34),可事实上并没有衰减的那么厉害。而根据我的经验和一般的物理定律,物体的直线加速度只和功率和所受到的阻力有关系,和重量反而没有太大的关系,举个形象的列子,同是50KG的箱子用同样的力是放在沙子上推进快呢,还是放在冰面上快呢?而对汽车而言阻力主要由地面阻力和空气阻力构成,一般在前段加速时地面阻力占主要因素,此时对同一辆车而言轮圈+轮胎的重量与轮胎的宽度相比,宽度将更会影响其加速性能,所以我的轮圈改到19",但宽度只上到235而已。而到了中后段的高速再加速空气阻力就成为了主角,此时汽车的风阻系数则占了主要因素。所以用19",20"还21"其实对直线加速的影响并不大,而棉兄所说的转动质量真正影响大的在过弯时的效果上,此点棉兄好象在之前的文章中有解释过了,这里就不再多说。其他同学如果想要换轮圈,而且如果只是在城市里彪彪直线那大可放心,尺寸对性能的影响你是体会不出来的,只要不要换的太宽即可。 另外,大尺寸的扁平胎还有一个好处就是,安全。像扁平比是35,30的胎,如果高速时突然爆胎或急速漏气,轮胎的降副很小,对车辆的稳定不会有太大的影响,但设想下如果你的胎是45或50的扁平比又不是防爆胎,车辆将发生明显的侧倾,如果控制不好很容易失控。 [ 本帖最后由 毛毛 于 2009-1-25 17:28 编辑 ]
作者: 毛毛    时间: 2009-1-25 17:18
原帖由 mianhuatang 于 2009-1-23 23:38 发表 人家那是没办法,真正的改装厂如果只为了性能谁不愿意用小轮子? 真正的原因是,马力大了,刹车必须跟上,如果用小轮子的话,根本净空就不够,355毫米的刹车碟+刹车钳根本不能fit进16寸的轮子。据我所知355的刹车碟最少需要19寸轮 ...
这个是正解,其实如果只要能套进刹车,轮圈确实没必要那么大,越大对过弯影响也越大。
作者: 毛毛    时间: 2009-1-25 17:23
原帖由 lance 于 2009-1-24 18:19 发表 本来想把16寸的胎铃换成18寸的,看棉花糖的说法对加速影响很大啊,320换18寸铃起步会不会跑不过捷达啊 。16寸的看久了实在觉得不好看,听4S说换大胎铃,避震会更硬,有没有同学换过的说一下感受。 ...
不是避震硬了,是整个车的感觉硬了,因为扁平比下来了,自然感觉会硬了,但路感也清晰多了。跑不过接达的情况是绝对不会发生的,放心。
作者: 毛毛    时间: 2009-1-25 17:51
原帖由 大众铁托 于 2009-1-25 14:21 发表 对这个问题我到一直有个困惑,极端追求性能的F1赛车,到的确用的轮毂不大,偶一直不得其解,估计大概就是棉花兄理论的一个证明吧?
极端性能的F1赛车,没发现轮胎也是相当的极端吗?在一般的车用轮胎中,谁会用14寸轮圈配360左右的胎宽呢。除了棉兄讲的降低转动质量利于过弯外,还有一点也是很关键的,方程式赛车4个车轮全部是外露式,所以在F1这种非常看重空气动力学的赛车当中,轮胎的尺寸必须和整个车身相得益彰,必须能减少对空气动力的影响,轮胎尺寸就不能过于太大或是太小。所以F1轮圈必须够宽,来满足传导驱动力和提供足够的复着力,但也不能太大,因此才有了现在这种又宽又小的F1轮胎了。
作者: mianhuatang    时间: 2009-1-25 22:37
总算是有人产生共鸣了!!!!!!!!!
原帖由 毛毛 于 2009-1-25 05:15 PM 发表 0~100KM/M提速应该从9.8秒变为13.13秒(9.8*1.34),可事实上并没有衰减的那么厉害
我绝对不是说整车的加速要如此大幅度的降低,我说的是把轮子整体的游离开来,会增加34%的加速时间。如果安装在车上的话,0-60的加速时间也许降低的就是0.5-1秒钟左右。
原帖由 毛毛 于 2009-1-25 05:15 PM 发表 而根据我的经验和一般的物理定律,物体的直线加速度只和功率和所受到的阻力有关系,和重量反而没有太大的关系,举个形象的列子,同是50KG的箱子用同样的力是放在沙子上推进快呢,还是放在冰面上快呢?
最简单的,汽车引擎做工,便成机械能输出。一般来说,车辆从0速度到100,引擎克服了种种阻力,输出的机械能包括,车辆本身的动能(车辆在运动嘛),克服地面摩擦力的热能(轮胎表面发热),空气阻力产生的声能和热能(这部分不太容易直观看见,但所有的人都承认对巴),和最最容易忽略(而且你也一不小心忽略了呵呵)的,转动动能。 你这个静态单一质点物理模型放在符合牛顿第1第二定律的情况下完全正确。但是要知道汽车本身并不能简单的模型称单一质点。车辆加速时候要克服很多阻力的。据个简单的例子,首先,就是你说的,F=Ma,匀加速直线运动的牛1方程,这点没什么疑问。第二,也就是你忽视的一部分,车辆内部的转动动能,例如飞轮啊,刹车碟啊,轮子什么的。你想想看,你把自行车架空,用手摇crank,把轮子速度加起来,是不是要花力气啊?轮子自转是不是也储存了动能呢?如果自行车的轮子变重1倍,你是不是要花更多的能量把它加速到同样的速度啊?我说的那34%变化,仅仅是指着第二部分的动能的,不是说整体动能 这第2部分动能才是我这个教程写的主要内容,你把这第2部分动能和总体动能弄混淆了。你可以看看这本书,http://www.amazon.com/Physics-Scientists-Engineers-MasteringPhysics-Chapters/dp/0136139264/ref=pd_bbs_sr_4?ie=UTF8&s=books&qid=1232894654&sr=8-4 忘记是哪一章了,专门有写道转动质量的动能储存和释放,非常精辟,以前我和一个机械系的教授还专门讨论过这个。顺便八卦以下,那个老头试开60年代的comet的,我们这里全城就那么一辆 我自己在1年前有过非常直观的对比。以前的328,用ACS的19村,1/4英里整整比同样的车,16村kosei要慢了大约0.5秒。基本是同样的环境条件,大直线,有专业测速工具的情况下。所以我觉得如果要开直线的话,轮子的影响非常的大。
原帖由 毛毛 于 2009-1-25 05:15 PM 发表 而棉兄所说的转动质量真正影响大的在过弯时的效果上
这个应该是在弹簧下质量上。本来我这次还想把unsprung weight的方程写个玩玩的,后来发现没有专业分析软件自己用手写是写不出来的,后来想想就算了。。。
原帖由 毛毛 于 2009-1-25 05:15 PM 发表 方程式赛车4个车轮全部是外露
没办法,这个是规则规定的,方程式赛车90%以上都是开轮式的赛车。否则的话,阻力会降低无数,估计现在的F1赛车速度最少能在上去100
作者: zjet    时间: 2009-1-26 11:33
新年快乐! 再次学习一下高手们的精彩论证...
作者: 小牛要狂奔    时间: 2009-1-27 01:18
标题: 回复 2# zjet 的帖子
很早就知道 一般的民用车,同等马力,在同等条件下 轮子大的基本会比轮子小点的加速要慢一点 马力超级大的车不换大轮子,别说刹车,起步都打滑,
作者: 毛毛    时间: 2009-2-12 05:57
原帖由 mianhuatang 于 2009-1-25 22:37 发表 总算是有人产生共鸣了!!!!!!!!! 我绝对不是说整车的加速要如此大幅度的降低,我说的是把轮子整体的游离开来,会增加34%的加速时间。如果安装在车上的话,0-60的加速时间也许降低的就是0.5-1秒钟左右。 最简单的,汽车引擎做工,便 ...
对你的回复,我再切磋以下问题: 1.空气阻力而产生的声能还有热能,O MY GOG,你真的或则需要会考虑这个吗?要知道就算F1这种速度的物体,也只考虑过简单的空气阻力。为什么?F1是算快的,但真正放大来看,F1只处于400KM/H以下的中底速空气动力学的考量范围。和空军的战斗机或是航天飞机相比情况简单的多。事实是在2马赫左右的战斗机才要考虑空气阻力衍生出来的声波能阻力(所以为什么战斗机的外型要更屈于水滴型,因为要更好的突破音障),而4马赫以上的准超高音速物体(航天飞机,高速无人侦察机)才要考虑衍生出来的热能阻力(确实已经足够快了,热能出现了)。 2.自行车的例子相当好,正是这个例子证明了我的说法 ,你说的很对,"当自行车架起来的时候"(一定要注意这一点),没错,轮圈的重量确实会导致你摇动轮子力气的不同,但如果你把自行车放下来,再骑上去,你还会有这么明显的区别吗? 3.其实我们讨论不要太多的专业的术语,太多的理论.简单的我们看结果,你说你老的328用了19"比16"慢了0.5秒,那我只想问你一个问题,你19"和16"的胎宽一样吗,如果能一样你再做一次测试,看还会不会有这么大的差异??? OK,最后只想说下我简单的观点,我不否认你的立场,轮圈大了转动质量确实对车有影响,但我的观点是:相对于轮胎的宽度和车自身的重量,那个因素真的不是主要的(轮胎大几寸重的那二三十公斤,和一辆1500公斤左右的轿车相比,你觉得所占的比重大吗?). 欢迎继续切磋.
作者: mianhuatang    时间: 2009-2-12 07:03
原帖由 毛毛 于 2009-2-12 05:57 AM 发表 对你的回复,我再切磋以下问题: 1.空气阻力而产生的声能还有热能,O MY GOG,你真的或则需要会考虑这个吗?
这个我只是这么一说,为了尽量能把能量转化考虑完全。我当然知道不会真有那么多热能产生,就这么一提而已,不要太认真。
原帖由 毛毛 于 2009-2-12 05:57 AM 发表 自行车的例子相当好,正是这个例子证明了我的说法
我只相信数据,完全不相信任何人的主观感受,包括我自己的。我算给你看我的自行车的数据。 我的车cannondale F2000,全车重量24.8磅,这个是官方数据 http://www.cannondale.com/bikes/02/cusa/model-2FS2.html 但是我做了很多改装,现在的重量是21.3磅。以前用的是Mavic的Xride UB的轮子,一对轮子重量是1750克,也就是3.85磅 http://www.mavic.com/mtb/products/crossride-ub.995500.1.aspx。 现在升级成Mavic的Xmax SLR,重量是1420克 http://www.mavic.com/mtb/products/crossmax-slr.995299.1.aspx,3.13磅。两者的差距是0.72磅,用近似转动质量1:3换算,就是差了2.1磅左右。用的轮胎都完全一样。 别的我不知道,我只知道换了轮子以后,我的西南区排名上升了30位左右。我经常骑的赛道,从原来的1小时06分钟,降低到大约57分钟左右。我这两个时间数据是平均了超过100次的数据量。另外,我是接受AT&T赞助的业余山地车手,德州排名79左右。不知道这个数据能不能说明一些关于自行车的东西呢? 另外,我曾经骑自行车上过dyno,就是人肉自行车上汽车用的dyno。测出来我的输出功率大约是0.7个马力左右,比一般人要高出大约45%。
原帖由 毛毛 于 2009-2-12 05:57 AM 发表 你说你老的328用了19"比16"慢了0.5秒,那我只想问你一个问题,你19"和16"的胎宽一样吗
完全一样,都是245的michelin ps2。另外请仔细阅读这个广为流传的帖子 http://forums.vwvortex.com/zerothread?id=776885
原帖由 毛毛 于 2009-2-12 05:57 AM 发表 轮胎大几寸重的那二三十公斤,和一辆1500公斤左右的轿车相比,你觉得所占的比重大吗?).
我觉得很大。普通来说一个16寸和19寸的轮子相差15磅最少,这还是保守估计,那么4个就是60磅,按上面1:3的公认比例转换,就是180磅。一辆车3100磅,这就是6%,我真不觉得少。另外,你想想看,无数认真玩车的人,把后座拆了,隔音拆了,能节约多少磅?别的车我不知道,最起码,e30 m3这些东西仅仅是160磅左右。至于是不是主要因素,again,这个是主观评判,我不相信任何人的主观评判,只相信数据。
作者: Arthur    时间: 2009-2-12 18:59
精彩,继续!
作者: 绿色    时间: 2009-2-12 19:45
又一绝世好贴出来了,精彩!
作者: zjet    时间: 2009-2-12 22:02
洗耳恭听两个同学的精彩论证.......
作者: 龟速车手    时间: 2009-2-16 13:12
原帖由 毛毛 于 2009-1-25 17:15 发表 棉兄的专业精神确实令人敬佩!但实际上的使用效果上并不完全如此,具体说,本人就是用16"改为19"轮圈的,按照理论,其他条件完全相同的情况下,我的320i,0~100KM/M提速应该从9.8秒变为13.13秒(9.8*1.34),可事实上并没有 ...
在你16换19后 或者你神经比较大条没有能感受到这种转变影响有多大, 不过你再去试一下把现在19换回成16的 我保证你惊愕:哇~靠!原来真会差这么远!
作者: 凝雪晨    时间: 2009-2-17 22:15
精彩,虽然专业术语看起来似懂非懂,但是欣赏这种讨论与论证的方式。
作者: edafamily    时间: 2009-4-24 17:21
换了更大的圈和更宽的胎以后想要加速没多少影响,必须得保证整个轮子的重量在改装后要比原来的轻才行....越轻量化越好.不然重量增加,磨擦力增加.不用计算也知道是慢了........马力大十P,不如重量轻十KG........
作者: chevrolet_ljw    时间: 2009-4-25 11:05
原帖由 毛毛 于 2009-1-25 17:51 发表 极端性能的F1赛车,没发现轮胎也是相当的极端吗?在一般的车用轮胎中,谁会用14寸轮圈配360左右的胎宽呢。除了棉兄讲的降低转动质量利于过弯外,还有一点也是很关键的,方程式赛车4个车轮全部是外露式,所以在F1这种非常看重空 ...
还有一点啊,F1的车胎还起到了减震的作用,当然不是说普通车的轮胎就不承担减震作用了,而是在F1上对这个要求更强烈一些
作者: rickykang    时间: 2009-9-20 20:31
今天我发现自己如此渺小.~
作者: larryzhou    时间: 2010-3-19 15:31
总结;;;;绝大多数情况下,视觉效果排第一,哈,
作者: williamchen98    时间: 2010-9-8 11:03
棉花糖你好:
想请教一下,就是说轮子越轻,加减速越快,对这个我没有异议,但是为什么公路自行车在平路赛段会使用碳刀?
我自己现在正在使用小碳刀,感觉平路匀速的确比较轻松,但是,想不通为什么。。。
作者: 云的Rap    时间: 2010-10-20 14:45
看完此贴。。犹豫到底要不要上18寸M3轮毂。。。
作者: HD    时间: 2010-10-20 16:33
标题: 回复 29# 云的Rap 的帖子
看清楚数据,比原来的轻就好~
作者: mianhuatang    时间: 2010-10-28 12:25
棉花糖你好:
想请教一下,就是说轮子越轻,加减速越快,对这个我没有异议,但是为什么公路自行车在平路赛 ...
williamchen98 发表于 2010-9-8 11:03 AM



    减轻忠良而已
作者: yuying    时间: 2011-3-15 22:11
lance:2.0的发动机本身带动BMW的沉重安全的车身已经负载很大了。
换17寸的还勉强可以,18寸的可能会影响起步和百公里加速度。
至于减震,由于18寸的轮毂一般都配W以上速度级别的轮胎,而且轮胎的扁平比的限制,胎侧更窄,所以减震会差很多。
一般不建议对原厂配置的轮毂进行更改,否则一定影响车辆的设计性能。所谓的轮毂“升级”完全是给自己的车降级,所以16寸的轮毂最多换个16或17寸的造型好看点的轮毂。至于18寸的个人不建议使用。





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