Завантаження даху автомобіля та намети iKamper
ПОПЕРЕДЖЕННЯ: Ніколи не перевищуйте технічні характеристики виробника. Це може спричинити майнову шкоду або травми.
Ця стаття відповідає на питання щодо безпеки використання стельового намету Skycamp iKamper. Чи безпечний транспортний засіб лише з вагою намету? Що відбувається, коли в наметі є люди?
Перш ніж розпочати статтю, нам потрібно визначити два поняття, динамічне навантаження і статична зарядка.
Ми говоримо про статичний заряд, коли вага накладається без накопичення енергії, тобто він не рухається. Це завдання не залежить від часу, воно не змінюється. Вага, прикладена до даху нерухомого автомобіля, вважається статичним навантаженням.
Ми говоримо про динамічне навантаження, коли під час руху на об’єкт виникають високі сили чи тиск. Ці сили залежать від часу, постійно змінюються (прискорення, гальмування, удари тощо). Для об'єктів, які призначені для постійного руху, з додатковими обтяженнями (наприклад, машина), мова йде про динамічне навантаження.
Монтаж обладнання, а також намету на даху піднімає центр ваги автомобіля і змінює поведінку автомобіля. При навантаженні на дах машина рухатиметься в бік більше, коли вона знаходиться під кутами, коли вона піднімається на схил або коли ми їдемо по нерівній землі. Це змінює поведінку автомобіля та збільшує ризик перекидання. Виробники повинні вказати максимальне навантаження на дах для підтримання маневрених характеристик та забезпечення того, щоб ризик перекидання утримувався в розумних межах. Інша особливість, яка враховується виробником, - це динамічне навантаження - скільки зусиль вам доведеться підтримувати дах під час руху по нерівних дорогах. Якщо встановити більше максимального навантаження, зазначеного виробником, це зменшить маневреність машини, збільшить ризик перекидання та пошкодження даху.
Максимальне навантаження на дах, зазначене виробником, стосується динамічних умов - під час руху. Він враховує маневреність автомобіля, ризик перекидання та динамічне навантаження.
Що відбувається з завантаженням даху автомобіля, коли він не рухається, як у випадку зі сном у стельовому наметі Skycamp iKamper? Я не бачив жодного виробника, який би вказував статичну несучу здатність даху. Це нерелевантний параметр для більшості людей і може ввести людей в оману щодо перевантаження даху в динамічних умовах. Ми вирішуємо, чи безпечно поставити двісті кілограмів людей і намет на дах припаркованого автомобіля.
Маневреність не має сенсу, коли ви не за кермом. Отже, для автомобіля, який не рухається, не слід брати до уваги маневреність. Небезпека перекидання також не має значення, коли транспортний засіб не рухається. Завантаження даху припаркованого автомобіля не призведе до його спонтанного перекидання. Як ризик низької маневреності, так і перекидання вимагають прискорення, щоб набути сили. Коли машина не рухається, прискорення дорівнює нулю. Все, що нам потрібно врахувати, - це несуча здатність даху. Дах досить міцний, щоб витримати вагу?
Давайте розглянемо, наскільки міцною повинна бути покрівля, щоб підтримувати обмеження навантаження, визначені виробником. Динамічні навантаження можуть бути значно вищими, ніж статичні. Це означає, що ми знаємо, що дах автомобіля може прослужити набагато довше максимального навантаження, рекомендованого виробником, оскільки ця рекомендація враховує всі сили, що впливають під час руху. Більшість людей припускають, що дах машини достатньо міцний, щоб спати. Замість того, щоб припускати це, давайте зробимо деякі розрахунки, пов'язані з динамічним навантаженням, щоб дати нам керівництво щодо завантаження даху в динамічних умовах. Це забезпечить достатню міцність даху, щоб витримувати необхідну вагу. У нашому прикладі ми будемо використовувати Toyota Hilux. Розрахунки базуються на ряді припущень і, звичайно, не будуть правильними на 100%. Ідея полягає не в тому, щоб вказати точну кількість, а навпаки, щоб отримати уявлення про те, яку вагу може витримати дах.
ПОПЕРЕДЖЕННЯ: Наступний розділ містить математику. Пройдіть це, щоб уникнути нудьги.
Максимальне навантаження на дах для Toyota Hilux становить 80 кг. Припустимо, нас вантажать до 80 кг і їдемо зі швидкістю 80 км/год по вибоїстій дорозі, де нерівності знаходяться на відстані 1 м. Припустимо, нерівності складають 4 см від основи до верху, а шини та підвіска поглинають три чверті його, і дах рухається на 1 см зверху вгору.
При 80 км/год частота (Гц) буде такою:
Частота = 80 * 1000/3600/1 = 22,22 Гц
Припускаючи синусоїдальний профіль, зміщення від піку до піку 1 см відповідає амплітуді 0,5 см, і зміщення як функція часу буде:
Водотоннажність = 0,005 sin (2π x 22,22t), де час t виражається в секундах, а переміщення в метрах.
Беручи першу похідну, отримуємо швидкість:
Швидкість = 0,005 x 2π x 22,22 cos (2π x 22,22t)
Знову взявши похідну, отримаємо прискорення:
Прискорення = 0,005 x 2π x 2π x 22,22 x 22,22 sin (2π x 22,22t)
Максимальне прискорення відбувається, коли sin (2π x 22,22t) = 1, тому максимальне прискорення:
Максимальне прискорення = 0,005 x 2π x 2π x 22,22 x 22,22 = 97 м/с/с
Для розрахунку максимальної сили ми використовуємо формулу Сила = маса х прискорення, і використовуючи масу 80 кг, яка є максимальним навантаженням на дах Hilux:
Максимальна сила = 80 х 97 = 7760 Н
Порівняємо максимальну силу із силою, прикладеною до тієї ж ваги, коли машина не рухається. Сила, прикладена до статичної ваги, становить 80 кг або прискорення, спричинене силою тяжіння (9,8 м/с/с):
Статична сила = 80 х 9,8 = 784 Н
Отже, максимальна сила майже в 10 разів перевищує статичну. Перетворення максимальної сили в еквівалентну статичну вагу:
Статична вага, еквівалентна максимальному зусиллю = 7760/9,8 = 791,83 кг
Зверніть увагу, що коли транспортний засіб рухається вгору в циклі удару, максимальна сила буде приблизно дорівнювати 791Kg + 70Kg (загалом 861Kg). Дах не тільки прискорює масу, але працює проти сили тяжіння. Максимальна сила при русі вниз буде набагато нижчою, оскільки дах працює з гравітацією, і швидкість, з якою вона може впасти, дещо обмежена силою тяжіння, хоча підвіска та пов'язана з нею маса будуть тягнути транспортний засіб трохи швидше, ніж гравітація. Результатом є синусоїда з нахилом до коротших, крутіших циклів при русі вгору і довших циклів при русі вниз.
Отже, за припущеннями, які ми зробили, при навантаженні 80 кг дах мав би мати максимальне динамічне навантаження близько 790 кг при русі по нерівних дорогах. Розрахунки не є на 100% досконалими, але вони дають вам уявлення про те, як динамічне навантаження суттєво зростає порівняно зі статичним навантаженням, і яке напруження несе дах під час руху по нерівній/нерівній місцевості.
ПОПЕРЕДЖЕННЯ: Ніколи не бийте себе молотком по голові!
Ви нам не вірите? Один експеримент, який ви можете зробити, щоб побачити, наскільки динамічніше навантаження порівняно зі статичним навантаженням, - це покласти молоток на голову, дозволяючи вашій голові витримувати вагу молота. Зверніть увагу на силу, з якою молот «тисне» на голову. Потім тримайте молоток на 10 см над головою і дайте йому впасти. Не змушуйте його, просто дозвольте йому впасти з власною вагою. Зверніть увагу, як сильно болить, і порівняйте з першими результатами. Я думаю, тобі буде страшенно боляче! Коли речі рухаються і починають прискорюватися, сили швидко збільшуються. Це фізика здорового глузду.
Згідно з наведеними вище розрахунками, дах Hilux може вмістити щонайменше 791 кг. Але нам не слід надто уважно розглядати саме число, воно, мабуть, не дуже точне. Проте ми можемо сказати, що дах може витримувати набагато більшу статичну вагу, ніж динамічна, визначена виробником. Як довго це може тривати? Ми не знаємо точно, але досить багато! Це підтверджується, якщо ви коли-небудь бачили машину, яка відпочивала на даху після перекидання. Зазвичай дах у цілому цілий, підтримуючи всю вагу автомобіля.
Часто після перекидання дах все ще залишається цілим, щоб їхати машиною! Те саме, що і машина нижче:
Давайте тепер підрахуємо, скільки ваги буде на даху, коли ви будете спати в наметі.
Вага намету = 70 кг
Вага опорного бруса = 6 кг
Вага людей = 2 х 80 кг = 160 кг
У випадку намету Skycamp iKamper половина намету знімається з транспортного засобу і підтримується драбиною:
Якщо встановлений намет Skycamp, приблизно 1/3 ваги підтримується драбиною. У разі висувних наметів сходи не витримує жодного навантаження.
У нашому випадку вага, яку підтримує дах, становить: 236 x 2/3 = 157,3 кг
Загальна вага даху становить 157,3 кг - в кілька разів менше, ніж 791 кг, який ми розрахували. Отже, хоча 791 кг є приблизним розрахунком, різниця до 157,3 кг є досить великою, щоб можна було сказати, що ми маємо хороший коефіцієнт безпеки.
Розглянемо форму нерівностей на дорозі та ям. Чи ідеальні синусоїдальні профілі, такі як ті, що передбачаються у наведених вище розрахунках? Якщо отвір має більш гострий профіль, то прискорення вище, а навантаження буде вище. Синусоїдальний профіль занижує максимальне навантаження, яке повинен нести дах. Дах набагато міцніший, ніж ми думаємо.
Інша річ, яку слід врахувати, це те, що в динамічних умовах навантаження передається у всіх напрямках, залежно, наприклад, від того, чи транспортний засіб обертається, прискорюється, гальмує тощо Дах постійно знаходиться під впливом великих сил з усіх боків. При статичному навантаженні сила тягне лише вниз, рівномірно натискаючи на дах і уникаючи будь-якої сили скручування. Отже, ми можемо бути ще більш впевненими, що при статичних навантаженнях дах набагато міцніший, ніж при динамічних навантаженнях, рекомендованих виробником, оскільки в динамічних умовах слід допускати збільшені зусилля - як було розраховано вище - щоб переносити сили, що виникають внаслідок скручування, нерівномірність розподілу, де певні частини даху можуть бути перевантажені, вага концентрується в певних точках.
Ще одним фактором, який слід врахувати, є те, що під час їзди по нерівній дорозі динамічна вага не тільки буде високою, але це відбувається в циклічних умовах. Завдання постійно збільшується, зменшується і змінюється напрямок, і це трапляється тисячі разів. Приблизно 791 кг сили, яку ми розрахували вище, постійно застосовується, видаляється і змінюється. Цикли викликають втому матеріалу. Щоб витримати, дах повинен бути ще міцнішим, ніж ми очікували - просто підтримувати 791 кг сили. Спати в наметі не викликає однакових циклічних навантажень.
Намет Skycamp важить близько 70 кг, додайте вагу опорних брусків (зазвичай 5 - 6 кг). Якщо загальна сума знаходиться в межах максимально допустимого навантаження на дах та/або максимально допустимого навантаження опорних брусків, ви можете встановити намет Skycamp на дах автомобіля. Що стосується сну в наметі, встановленому на даху, то певно, що транспортний засіб легко витримає навантаження.
Примітка про операцію Offroad
Деякі виробники автомобілів, а також деякі виробники брусків на даху оцінюють своє максимально допустиме навантаження і для бездоріжжя. Це наслідок надзвичайних динамічних навантажень, які можуть виникати, коли транспортний засіб перетинає нерівну місцевість. Крім того, є додатковий шкідливий вплив на маневреність та ризик перекидання, коли транспортний засіб рухається по пересіченій місцевості. Ці значення, встановлені виробником, повинні дотримуватися, якщо ви збираєтеся їхати по бездоріжжю.
Навіть якщо транспортний засіб та опорні планки не оцінені для бездоріжжя, вам слід намагатись бути нижче максимального динамічного значення навантаження, і коли ви збираєтесь використовувати позашляховик, їдьте повільно та обережніше.