Trt-auto.ru

Автомобильный журнал
76 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Конструкция несущего кузова автомобиля

Общее устройство кузова автомобиля. Применяемые материалы

Несущий кузов, характерный для большинства легковых автомобилей, содержит полые элементы, изготовленные из листовой стали, на которых устанавливаются и крепятся сваркой кузовные панели. В зависимости от типа автомобиля, около 5000 сварных точек должны быть выполнены вдоль сварочных фланцев общей длиной 120…200 м. Ширина сварочного фланца составляет 10-18 мм. Другие части (передние крылья, двери, капот, крышка багажника) крепятся к опорным конструкциям кузова на болтах или с помощью точечной сварки. Существуют также каркасные и скелетные типы конструкций кузовов.

В качестве материала для кузовов применяется тонколистовая сталь. Наиболее преобладающая толщина 0,75…1 мм, однако, отдельные части кузова могут иметь толщину от 0,6 до 3,0 мм.

Для изготовления высоконапряженных конструктивных элементов применяется высокопрочная низколегированная листовая сталь. Некоторые детали кузова, например, бампера, молдинги, люки, спойлеры, решетки радиаторов, облицовки надколесных ниш, колпаки и др. могут изготавливаться из пластмасс.

Общая конструкция кузова легкового автомобиля показана на рисунке.

Рис. Кузов легкового автомобиля:
1 – подоконная балка; 2 – передняя балка крыши; 3 – лонжерон крыши; 4 – задняя балка крыши; 5 – задняя стойка кузова; 6 – задняя панель; 7 – пол в задней части кузова; 8 – задний лонжерон; 9 – средняя стойка кузова; 10 – поперечина под задним сиденьем; 11 – передняя стойка; 12 – поперечина под сиденьем водителя; 13 – порог; 14 – надколесная ниша; 15 – поперечная балка опор двигателя; 16 – передний лонжерон; 17 – поперечина передняя; 18 — поперечина радиатора

Для защиты кузова от коррозии при изготовлении кузова применяются следующие меры:

  • снижение до минимума фланцевых соединений, острых кромок и углов
  • устранение зон, где могут скапливаться пыль и влага
  • выполнение отверстий для предварительной антикоррозионной обработки и обработки методом электрофореза
  • обеспечение доступности к элементам кузова для ввода ингибиторов коррозии
  • обеспечение вентиляции полых элементов
  • предотвращение проникновения пыли и влаги в скрытые полости
  • выполнение дренажных отверстий
  • снижение до минимума зон, подвергаю­щихся воздействию ударов камней
  • покрытие нижней части кузова и тех частей кузова, которые в наибольшей степени подвержены коррозии (двери и силовые элементы в передней части автомобиля) специальными защитными средствами

Для снижения массы кузова, при сохранении его прочности, в современных автомобилях применяют высокопрочную сталь, доля которой в верхней и нижней частях кузова составляет 50…60%. Применение высокопрочной листовой стали позволяет снизить массу применяемых деталей кузова на 25%.

Стальной листовой материал современных автомобилей подвергается электролитиче­скому или термическому цинкованию. Соединение отдельных деталей кузова производится с помощью лазерной сварки, обеспечивающей абсолютно гладкие швы.

Фланцы, подверженные активному коррозион­ному воздействию, обрабатываются специальными пастами (поливинилхлорид или эпоксидная смола) в зоне расположения точечных швов.

Перспективным направлением в развитии автомобильных кузовов является применение алюминия и в 2005 году масса алюминиевых деталей на один автомобиль в Европе составляет 130 кг. Среди новых материалов, активно завоевывающих автомобилестроение, следует назвать пеноалюминий – чрезвычайно легкий, жесткий, с высоким энергопоглощением при столкновении. Металлические пенистые структуры обладают и высокими характеристиками, обеспечивающими шумоизоляцию и термостойкость, однако стоимость деталей из такого материала выше, чем у стальных, примерно на 20%.

Разработан новый материал «AAS» трехслойной структуры, способной кардинально изменить конструкцию кузова и снизить его массу до 50%.

В конструкции концептуальных автомобилей компаний «Ауди» и «Даймлер-Бенц» использованы каркасы из прессованных алюминиевых профилей. Масса кузова модели «Ауди А8» за счет этого снижена до 810 кг.

Структура передней части современных легковых автомобилей разработана таким образом, чтобы в случае легкого ДТП (скорость до 15 км/ч) необходимо было менять только поперечину бампера 5 и прикрепленные к ней поглотители энергии деформации 1. Если повреждения структуры автомобиля более значительны, тогда может возникнуть необходимость замены лонжеронов, для этого также следует отвернуть болтовое соединение. Все значительные повреждения в передней части автомобиля могут быть устранены только сваркой соответствующих оригинальных деталей.

Рис. Нижняя часть легкового автомобиля Audi:
1 – поглотитель энергии; 2 – лонжерон 1; 3 – лонжерон 2; 4 – болтовое соединение; 5 – поперечина бампера

Большой интерес представляет новый пластиковый материал под маркой «Fibropur». В его структуре – полиуретан и натуральные волокна (лен и сизаль в равных пропорциях). Детали из такого пластика отличаются легкостью, жесткостью, ударной вязкостью и меньшей стоимостью в сравнении с полиуретаном.

Замены металлических узлов и деталей на пластиковые позволили уменьшить стоимость их производства. В результате уже на нынешнем этапе создаются условия для снижения себестоимости автомобиля на 20 … 30%.

В настоящее время 48% всех пластмассовых деталей в легковом автомобиле приходятся на долю внутренней отделки кузова. Однако пластмассы применяются и в других агрегатах автомобилей – например, самоклеящиеся листовые материалы для повышения жесткости и прочности кузова из тонких стальных листов, оконные стекла из поликарбоната, которые на 40% легче, всасывающие патрубки из полиамида на двигателях.

В последнее время производители транспортных средств все большее внимание обращают на химические способы соединения узлов и деталей автомобиля. Так, компания «Крайслер» разрабатывает концептуальный автомобиль (CCV) с кузовом из термопластов, соединенный с рамой специальным клеем.

Стекла кузовов легковых автомобилей выполняют многослойными с высокой теплоотражающей способностью. Такие стекла эффективно защищают от теплового воздействия извне, причем теплоотражающая способность никак не сказывается на их прозрачности. Они уменьшают интенсивность ультрафиолетовых лучей и обладают шумоизолирующими свойствами. Для этого в многослойной структуре стекла предусмотрены защитная и отражающая прослойки. Многослойная конструкция травмобезопасна, потому что между слоями стекла находится защитная пленка, предотвращающая образование осколков.

Производители автомобилей большое внимание уделяют травмобезопасным конструкциям кузова, которые описаны в разделе «Системы пассивной безопасности».

Что такое и из чего состоит кузов легкового автомобиля

Автомобиль состоит из множества элементов, которые слаженно работают вместе. Основными из них принято считать двигатель, ходовую часть и трансмиссию. Однако, все они закреплены на несущей системе, которая и обеспечивает их взаимодействие. Несущая система может быть представлена разными вариантами, но наиболее популярным является кузов автомобиля. Это важный конструктивный элемент, который обеспечивает крепление составных частей транспортного средства, размещение пассажиров и грузов в салоне, а также воспринимает все нагрузки во время движения.

  1. Назначение и требования
  2. Компоновка кузовов
  3. Устройство
  4. Жесткость
  5. Материалы для изготовления и их толщина
  6. Алюминиевый кузов

Назначение и требования

Если двигатель называют сердцем автомобиля, то кузов – это его оболочка или тело. Как бы то ни было, именно кузов является самым дорогим элементом машины. Основное его назначение – это защита пассажиров и внутренних компонентов от воздействия окружающей среды, размещение посадочных мест и прочих элементов.

Кузов автомобиля

Как к важному конструктивному элементу к кузову предъявляются определенные требования, среди которых:

  • стойкость к коррозии и долговечность;
  • сравнительно небольшая масса;
  • необходимая жесткость;
  • оптимальная форма, чтобы обеспечить ремонт и обслуживание всех агрегатов автомобиля, удобство погрузки багажа;
  • обеспечение необходимого уровня комфорта для пассажиров и водителя;
  • обеспечение определенного уровня пассивной безопасности при столкновении;
  • соответствие современным стандартам и тенденциям в дизайне.

Компоновка кузовов

Несущая часть автомобиля может состоять из рамы и кузова, только кузова или быть комбинированной. Кузов, который выполняет функции несущей части, так и называется несущим. Именно такой тип наиболее распространен на современных автомобилях.

Также кузов может быть выполнен в трех объемах:

  • однообъемный;
  • двухобъемный;
  • трехобъемный.

Однообъемный выполняется как цельный корпус, который объединяет отделение для двигателя, пассажирский салон и багажный отсек. Такая компоновка соответствует пассажирским (автобусы, микроавтобусы) и грузопассажирским автомобилям.

Двухобъемный имеет две зоны пространства. Пассажирский салон, объединенный с багажником, и моторный отсек. К такой компоновке относятся хэтчбек, универсал и кроссовер.

Трехобъемный состоит из трех отсеков: пассажирского, отсека для двигателя и багажного отделения. Это классическая компоновка, которой соответствуют седаны.

Разные компоновки можно рассмотреть на рисунке ниже, а более подробно почитать в нашей статье о типах кузовов.

Компоновка кузовов

Устройство

Несмотря на разнообразие компоновок, кузов легкового автомобиля имеет общие элементы. Они показаны на рисунке ниже и включают в себя:

  1. Передние и задние лонжероны. Представляют собой прямоугольные балки, которые обеспечивают жесткость конструкции и гашение колебаний.
  2. Передний щит. Отделяет моторный отсек от пассажирского.
  3. Передние стойки. Также обеспечивают жесткость и крепят крышу.
  4. Крыша.
  5. Задняя стойка.
  6. Заднее крыло.
  7. Багажная панель.
  8. Средняя стойка. Обеспечивает жесткость кузова, изготавливается из прочной листовой стали.
  9. Пороги.
  10. Центральный тоннель, где располагаются различные элементы (выхлопная труба, карданный вал и т.д.). Также увеличивает жесткость.
  11. Основание или днище.
  12. Надколесная ниша.

Детальное устройство кузова автомобиля

Конструкция может быть иной в зависимости от типа кузова (седан, универсал, микроавтобус и т.д.). Особое внимание в конструкции уделяется несущим элементам, таким как лонжероны и стойки.

Жесткость

Жесткость – это свойство кузова автомобиля сопротивляться динамическим и статистическим нагрузкам в процессе эксплуатации. Она напрямую влияет на управляемость.

Чем выше жесткость, тем лучше управляемость автомобиля.

Жесткость зависит от типа кузова, общей геометрии, количества дверей, размера машины и окон. Большую роль также играет крепление и положение лобового и заднего стекол. Они могут увеличить жесткость на 20-40%. Для большего увеличения жесткости устанавливаются различные распорки-усилители.

Наиболее устойчивыми считаются хэтчбеки, купе и седаны. Как правило, это трехобъемная компоновка, которая имеет дополнительные перегородки между багажным отделением и двигателем. Недостаточную жесткость показывают кузова типа универсал, пассажирский, микроавтобус.

Есть два параметра жесткости – на изгиб и на кручение. На кручение проверяют сопротивление при давлении в противоположных точках относительно его продольной оси, например, при диагональном вывешивании. Как уже было сказано, современные автомобили имеют цельный несущий кузов. В таких конструкциях жесткость обеспечивается главным образом за счет лонжеронов, поперечных и продольных балок.

Материалы для изготовления и их толщина

Прочность и жесткость конструкции можно увеличить за счет толщины стали, но это скажется на массе. Кузов должен быть легким и одновременно прочным. Это обеспечивается за счет применения низкоуглеродистой листовой стали. Отдельные детали изготавливаются путем штамповки. Затем части прочно соединяются друг с другом точечной сваркой.

Основная толщина стали составляет 0,8-2 мм. Для рамы применяется сталь толщиной 2-4 мм. Наиболее важные детали, такие как лонжероны и стойки, изготавливаются из стали, чаще всего легированной, толщиной 4-8 мм, большегрузные автомобили – 5-12 мм.

Плюс низкоуглеродистой стали в том, что она хорошо подвергается формовке. Можно сделать деталь любой формы и геометрии. Минус в низкой устойчивости к коррозии. Для повышения стойкости к коррозии листы стали подвергаются оцинковке или добавляется медь. Лакокрасочное покрытие также защищает от коррозии.

Наименее важные детали, которые не несут основной нагрузки, изготавливаются из пластмасс или сплавов алюминия. Это снижает вес и стоимость конструкции. На рисунке показаны материалы и их прочность в зависимости от назначения.

Материалы для изготовления кузова

Алюминиевый кузов

Современные конструкторы постоянно ищут способы снижения массы без потери жесткости и прочности. Одним из перспективных материалов является алюминий. Масса алюминиевых деталей в 2005 году в европейских автомобилях составила 130 кг.

Сейчас активно применяется материал пеноалюминий. Это очень легкий и одновременно жесткий материал, который хорошо поглощает удар при столкновении. Пенистая структура обеспечивает высокую термостойкость и шумоизоляцию. Минусом данного материала является его высокая стоимость, примерно на 20% дороже традиционных аналогов. Широко применяют алюминиевые сплавы концерны «Ауди» и «Мерседес». Например, за счет таких сплавов удалось значительно снизить массу кузова Ауди А8. Она составляет всего 810 кг.

Алюминиевый кузов Audi A8

Кроме алюминия рассматриваются пластиковые материалы. Например, инновационный сплав «Fibropur», который по жесткости практически не уступает стальным листам.

Кузов является одним из важнейших конструктивных компонентов любого автомобиля. От него во многом зависит масса, управляемость и безопасность транспортного средства. Качество и толщина материалов сказывается на долговечности и устойчивости к коррозии. Современные автопроизводители все чаще применяют углепластик или алюминий, чтобы снизить массу конструкции. Главное, чтобы кузов смог обеспечить максимально возможную безопасность для пассажиров и водителя в случае столкновения.

Несущая система

Несущая система — важнейший элемент любого ТС. Она воспринимает все нагрузки, действующие на машину. Кроме того, несущая система является остовом ТС, к ней скрепятся все основные агрегаты и узлы (двигатель, механизмы трансмиссии, движитель через подвеску и т. д.).

Несущая система любого ТС должна быть достаточно прочной и жесткой при наименьшей массе, обладать высокой надежностью и необходимой технологичностью в производстве, быть достаточно коррозионностойкой, способствовать повышению проходимости машины и понижению ее центра тяжести, позволять наиболее удобно и экономно размещать и закреплять все монтируемые на ней агрегаты и узлы, а также допускать значительные ходы подвески.

Несущие системы колесных машин должны также допускать поворот управляемых колес на большие углы. Кроме общих требований к несущим системам отдельных типов ТС могут предъявляться дополнительные (специальные) требования. Например, необходимо, чтобы кузова легковых автомобилей имели форму, создающую минимальное сопротивление воздуха во время движения, и способствовали обеспечению безопасности и комфорта для водителя и пассажиров, а корпуса военных бронированных машин были пуле- и снарядостойкими.

Различают следующие типы несущих систем ТС: рамы, корпуса, кузова, металлоконструкции прицепов и полуприцепов.

Рамы в качестве несущих элементов используются в основном на грузовых автомобилях общетранспортного и многоцелевого назначения, колесных тягачах и длиннобазных шасси, а также на тракторах и ТС со специальными движителями. Кроме того, рамы имеют некоторые автобусы, гусеничные транспортеры, тягачи и легковые автомобили высшего класса. Рамы относительно просты по конструкции, технологичны в производстве и ремонте, универсальны (например, на одну и ту же раму можно установить различные кузова).

По конструкции рамы подразделяются на три типа: лонжеронные, хребтовые и комбинированные.

Наиболее широко распространены лонжеронные рамы (рис. а—в), состоящие из двух продольных балок (лонжеронов), нескольких поперечных балок (траверс), местных усилителей (там, где это необходимо) и переходных элементов (косынки, накладки и др.).

Лонжероны чаще всего представляют собой тонкостенные балки открытого поперечного сечения. Типичными сечениями являются швеллер (см. рис. а), двутавр и Z-образный профиль (рис. в). Иногда лонжероны имеют замкнутый профиль поперечного сечения (прямоугольник или квадрат). У наиболее распространенных лонжеронов швеллерного типа отношение высоты поперечного сечения к ширине полки составляет 2,8…3,5, а толщина стенки — 5… 10 мм. Балки лонжеронов обычно штампуют из стального листа, реже выполняют из стандартного проката.

Штампованные лонжероны легче и могут иметь переменный профиль по длине рамы (см. рис. а), благодаря чему достигается их повышенная равнопрочность. У большинства рам грузовых автомобилей наибольшее сечение лонжерона находится в средней части, а наименьшее — по краям.

Рис. Конструкции лонжеронных (а, в), хребтовых (г) и комбинированных (д, е) рам

Поперечины, соединяющие лонжероны друг с другом, перпендикулярны к ним (см. рис. а, в) или имеют в плане Х-образную форму (см. рис. б). Их сечения могут быть открытыми или замкнутыми. Как и лонжероны, поперечины обычно штампуют из стального листа и устанавливают по мере возможности регулярно в местах крепления кронштейнов рессор, двигателя и топливных баков, в местах установки оси балансирной тележки и т. д. В рамах автомобилей общетранспортного назначения высота профилей поперечин близка к высоте лонжеронов, что приближает эти конструкции к рамам плоского типа. С увеличением грузоподъемности ТС высота профилей лонжеронов существенно возрастает. Для установки агрегатов используются объемы, заключенные между лонжеронами в пределах их высоты. Поперечины в этом случае уже не выполняются равновысокими с лонжеронами. Размеры сечений поперечин существенно уменьшаются, а их число увеличивается (см. рис. в).

Читать еще:  Пленка на лобовое стекло от солнца: что дает солнцезащитная пленка?

Лонжероны с поперечинами соединяются преимущественно с помощью клепки в холодном состоянии, реже — сварки. Сварные рамы более жесткие. Их недостатками являются сложность ремонта и наличие после сварки остаточных напряжений. Поперечины крепятся к полкам или стенкам лонжеронов. Возможно также их крепление и к полкам, и к стенкам одновременно.

Хребтовые рамы могут быть разъемными и неразъемными. Чаще всего применяются разъемные рамы. Они имеют одну центральную продольную балку, обычно трубчатого сечения (рис. г). Эта балка составлена из картеров агрегатов трансмиссии (коробка передач, главные передачи) и патрубков, соединяющих эти картеры. Патрубки и картеры соединяются друг с другом с большой точностью при помощи призонных шпилек и болтов. Кроме центральной продольной балки хребтовая рама имеет поперечно расположенные кронштейны с лапами, служащими опорами для крепления кабины, грузовой платформы, двигателя и других агрегатов.

Хребтовые рамы имеют следующие преимущества по сравнению с лонжеронными: меньшая масса и материалоемкость машины, так как картеры агрегатов трансмиссии используются в качестве несущих элементов; более высокая крутильная жесткость, что особенно важно для эксплуатируемых в тяжелых дорожных условиях полноприводных многоосных автомобилей; возможность на основе одних и тех же агрегатов и узлов создавать автомобили с разным числом осей и различной базой. К недостаткам таких рам относятся затрудненный доступ к механизмам трансмиссии при обслуживании и ремонте, необходимость использования высокопрочных легированных сталей, повышенная коцструктивная сложность трансмиссии и подвески, высокие требования к точности изготовления и сборке.

Комбинированные рамы (рис. д, е) содержат элементы как лонжеронных, так и хребтовых рам, т. е. имеют центральную балку, лонжероны и поперечинй. Центральная балка обычно располагается в средней части рамы, а.лонжероны с поперечинами — по краям.

Корпуса в качестве несущих систем применяются чаще всего на гусеничных транспортерах и тягачах, бронированных колесных и гусеничных машинах, а также на .амфибийных машинах. Существует большое разнообразие конструкций корпусов. Они различаются по размерам, форме, применяемым материалам, способам соединения элементов корпуса и другим параметрам. Конструкция корпуса зависит от назначения машины, области ее применения, типов сухопутного и водоходного (у амфибийных машин) движителей и т. д.

Корпуса могут быть открытыми и закрытыми. У открытых корпусов профиль поперечного сечения открытый (корытообразный), у закрытых — замкнутый. По конструктивной схеме различают корпуса с несущей рамой и несущие.

Корпуса с несущей рамой применяются на колесных машинах, обладающих плавучестью. У них все основные нагрузки воспринимаются рамой (к ней крепятся все агрегаты и движители), а сам корпус, обеспечивая машине герметичность, плавучесть и остойчивость, испытывает лишь гидростатические и гидродинамические воздействия при движении по воде. Несущий корпус представляет собой единую пространственную несущую конструкцию, воспринимающую все нагрузки.

Несущие корпуса подразделяются на два типа:

  • бескаркасные
  • каркасные

Бескаркасные корпуса применяются там, где сама обшивка обеспечивает необходимую прочность и жесткость. Такие корпуса представляют собой жесткие сварные коробки из толстых стальных листов. Ими оборудуют бронированные, а также некоторые небронированные машины малой и средней грузоподъемности. Весьма перспективный материал для несущих бескаркасных корпусов — трехслойные панели типа «сандвич». Внешние, слои таких панелей образованы из тонких листов достаточно плотного материала (обычно алюминиевые сплавы или стеклопластик); внутренний, более широкий слой выполнен из материала с малой плотностью (пенополиуретан). Корпус, изготовленный из панелей типа «сандвич» и отличающийся малой массой в сочетании с высокой прочностью и жесткостью, способен эффективно уменьшать вибрацию и противостоять коррозии.

Несущий корпус каркасного типа включает в себя пространственный стержневой каркас и тонкую листовую обшивку. Каркас состоит из продольных и поперечных балок, вертикальных и наклонных стоек, раскосов и т.д. Элементы каркаса выполняются, как правило, из тонкостенных гнутых профилей и труб круглого или прямоугольного сечения. Листы обшивки приваривают снаружи к элементам каркаса, обеспечивая корпусу герметичность и необходимое водоизмещение (у амфибийных машин). Для увеличения местной жесткости обшивочные листы могут иметь зиги.

Кузова в качестве несущих систем применяются на легковых автомобилях и автобусах. Их конструкции весьма сложны и многообразны. Кузова, как правило, сочетают в себе пространственный каркас, выполненный из штампованных стальных элементов, и обшивку в виде тонкостенных разнопрофильных оболочек. Соединение элементов кузова осуществляется чаще всего с помощью точечной сварки.

По назначению кузова подразделяют на:

  • грузовые
  • пассажирские
  • грузопассажирские
  • специальные (для размещения различного мобильного оборудования)

По характеру воспринимаемых нагрузок различают следующие типы кузовов: несущие (без рамы), полунесущие (они жестко соединены с рамой и воспринимают часть нагрузки, действующей на ТС) и разгруженные (с рамой соединены не жестко, а через упругие прокладки).

В зависимости от типа ТС применительно к кузовам может использоваться и другая классификация. Например, по общей структуре и визуальному восприятию кузова легковых автомобилей могут быть одно-, двух- и трехобъемными.

Металлоконструкции прицепов и полуприцепов имеют сходство с рамами, У прицепов малой и средней грузоподъемности рамы, как правило, плоские. Прицепы, предназначенные для перевозки тяжеловесных грузов (трейлеры), имеют низкую грузовую платформу. Их металлоконструкции чаще всего выполняются пространственными. Полуприцепы имеют рамы глагольного типа (ступенчатые). Это связано с необходимостью понизить уровень грузовой платформы при относительно высоком расположении тягово-сцепного устройства.

Для изготовления рам используют в основном углеродистые и низколегированные стали. Они относительно дешевы и более технологичны в производстве, чем высоколегированные. Кроме того, эти стали легче поддаются гибке и холодной штамповке. Низколегированные стали свариваются хуже, чем углеродистые, и поэтому применяются главным образом в клепаных конструкциях.

Корпусные несущие системы изготавливают из разнообразных материалов, чаще всего из углеродистых сталей. Могут использоваться также легкие сплавы (например, алюминиевые) и пластмассы, которые, уменьшают массу корпуса и повышают его коррозионную стойвдсть.

Для изготовления кузовов легковых автомобилей и автобусов массовых моделей применяются в основном низкоуглеродистые специальные стали. Детали кузова (крылья, арки колес, днище), подверженные сильной коррозии, часто выполняют из оцинкованной стали. В последнее время для изготовления кузовов автомобилей все шире используютря алюминиевые сплавы и пластмассы.

Металлоконструкции прицепов и полуприцепов собирают преимущественно с помощью сварки, что обусловливает выбор материалов для их изготовления. В этом случае чаще всего используют углеродистые стали.

AutoXS.ru — Авто Энциклопедия

  • Тюнинг и доработки
  • Ремонт и обслуживание
  • История
  • Разное про автомобили
  • Масштабные модели

История и эволюция несущего кузова


Основой автомобиля с момента его рождения была рама. Начиная с 30-х годов прошлого века конструкторы неоднократно пытались усовершенствовать это инженерное решение. Сегодня рама сохранилась главным образом на грузовиках и некоторых внедорожниках. Большинство легковых автомобилей имеет несущий кузов. Все нагрузки, передаваемые через колеса и подвеску, воспринимают в нем стальные элементы — панели, штампованные профили, которым в самых ответственных местах придают коробчатое замкнутое сечение. Так формируется силовой каркас кузова, по которому распределяются воздействующие на него усилия — от неровностей дороги, массы перевозимого груза, пассажиров и т.д. Сварная конструкция из штампованной стали наиболее технологична в поточном производстве. При замене рамы несущим кузовом днище салона опускается на величину высоты лонжеронов рамы. Соответственно снижается центр тяжести. Автомобили с несущими кузовами имеют меньшую массу по сравнению с однотипными рамными. Вследствие этих причин в середине тридцатых годов XX века многие автомобильные фирмы перешли на «монокок» — так в ряде стран до сих пор именуют несущие кузова.

Чистота идеи.

Классический «монокок» Citroen Traction Avant, 1934 год

Первой развернула в 1934 году массовое производство легковых автомобилей с такими кузовами французская фирма «Citroen». Это была поистине революционная машина Traction Avant. Правда, еще с 1922 года «Lancia» выпускала модель Lambda с открытым несущим кузовом типа фаэтон. Но в отличие от современного понимания этого термина у нее скорее была «разросшаяся» рама в виде пространственного каркаса, собранного из замкнутых профилей. И хотя многие автомобильные историки считают Lambda пионером настоящего «монокока», итальянцы сделали лишь первую попытку. В отличие от них «Citroen» и «Opel» (модель Olympia, 1935 год) создали подлинно несущие кузова, у которых нагрузку воспринимали все панели. Причем крыша и днище тоже являлись силовыми элементами.

Возможны варианты.

Несущие кузова (сверху вниз): ГАЗ-20 «Победа», ГАЗ-12 ЗИМ, ГАЗ-21 «Волга»

Разумеется, фаэтон или кабриолет с несущими кузовами имеют недостаточную жесткость. В результате в них приходится вводить усилители, особенно в зоне днища. У автомобилей с продольно расположенным двигателем узел подвески передних колес, создающий основную нагрузку на передок, вынесен слишком далеко вперед и требует усиления. При такой схеме между продольными коробчатыми лонжеронами и моторным шитом несущего кузова устанавливают подкосы, как было на «Волге» ГАЗ-21. Подкосы либо приваривают к кузову, либо крепят болтами. Первой отечественной моделью с несущим кузовом стала в 1946 году «Победа». За ней в 1950 году появился ГАЗ-12 (или ЗИМ). Его несущий кузов имел не два. а три ряда сидений за счет откидных страпонтенов. Любопытно, что этот автомобиль изначально разрабатывали как фаэтон! В результате большая длина его кузова вынудила конструкторов ввести подкосы и мощную поперечину в зоне подвески задних колес. Однако такая мера мало повышала комфортабельность столь солидного авто: на кузов практически напрямую продолжали передаваться все удары и вибрации от колес, возникал шум… Поэтому со временем у лимузинов появился «посредник», прикрепленный к нижним силовым элементам кузова на резиновых подушках, — подрамник. В дальнейшем два подрамника, передний и задний, начали устанавливать на многие машины высшего класса. Фирма «Citroen», всегда отличавшаяся оригинальными техническими решениями, первой превратила подрамник в сборочную единицу: у модели CX 1974 года его вместе с двигателем можно было «выкатить» из моторного отсека вперед. Постепенно передний подрамник перекочевал и на автомобили компактного класса. Так удобнее всем: седокам, технологам, механикам на станции техобслуживания.

Подводные камни.

Каркасная структура кузова Lancia Lambda, 1922 год




Lancia Lambda

Однако не забудем, что несущий кузов с его панелями, обычно изготовляемыми из тонколистовой (0,7—1,2 мм) стали, легко поддается коррозии. Иногда дело доходит и до сквозного проржавления, что приводит к серьезному ослаблению несущей системы. Пока традиционалисты изыскивали рецепты антикоррозионной защиты (двухсторонняя оцинковка, многослойные грунт и краска с внешней стороны), в 60-е годы появились несущие кузова из стеклопластика. Первенство в этом принадлежит спортивному автомобилю Lotus Elite 1. Чтобы придать некоторым элементам его кузова коробчатое сечение, использовались шесть (!) основных модельных форм и две вспомогательные. Все они накладывались друг на друга и затем склеивались. В результате получилась легкая и прочная конструкция. Почти одновременно появились комбинированные кузова. Например, у восточно-германского Trabant моделей P50 и P601, выпускавшихся национализированным заводом DKW, несущая часть кузова была сварена из стали. А наружные панели, не воспринимающие нагрузок, делали из пластмассы Duroplast, армированной опилками, отрубями и Бог знает чем еще. Помните фильм Кустурицы «Черная кошка, белый кот», где брошенный на обочине дороги «Траби» постепенно поедает свинья?

Фирменная ASF: легкая и жесткая несущая структура из алюминиевых сплавов

Однако время убогих социалистических технологий давно миновало. Конструкторы продолжают искать достойную замену стальному листу. Революционное решение выдвинул немецкий концерн «Volkswagen». На серийных моделях Audi A8 и A2 он применил несущий кузов из алюминиевого сплава! Причем получил именно каркасное строение, с обвязочными брусьями, как у дальней предтечи от Lancia Lambda. Только теперь эта технология пришла из мира авиации и космонавтики: сварная силовая «клетка» получила название ASF (Audi Space Frame). С другой стороны, новейший Jaguar XJ — первый автомобиль с несущим кузовом из алюминия, сделанным по такой же штамповочной технологии, что и стальной. Однако панели его соединены уже вовсе не сваркой, а заклепками и клеем! С внедорожниками еще интереснее: в последнее время их раму стали «вваривать» в кузов. Так сделано у Jeep Cherokee, Chevrolet TrailBlazer, Mitsubishi Pajero и т.п. Инженерам удобнее рассчитывать деформации кузова и его несущих элементов как единого целого, да и центр тяжести машины понижается…


Несколько слов об автобусных несущих кузовах. Их основа напоминает горизонтально лежащую ферму от железнодорожного моста, к которой приваривают каркас из вертикальных труб прямоугольного сечения. Наружные панели из стали или алюминия жестко соединяются с ним и воспринимают часть нагрузки. Итак, «монокок» прочно утвердился не только в легковом автомобилестроении. За последние двадцать лет конструкторы снабдили его сминаемыми по травмобезопасному алгоритму зонами спереди и сзади, сделали жестче на кручение, а теперь «учат» по-особому реагировать на разные удары… Но об этом — отдельный рассказ.

Если Вы заметили ошибку, неточность или хотите дополнить материал, напишите об этом в комментариях, и мы исправим статью!

Конструкция несущего кузова автомобиля

Автомобиль — это сложная механическая система, состоящая из набора взаимосвязанных узлов и агрегатов, выполняющих различные функции. Традиционно в конструкции автомобиля выделяли три основных блока: двигатель как источник механической энергии, шасси как совокупность элементов передачи крутящего момента к ведущим колёсам и управления автомобилем и кузов как внешняя оболочка и пространство для размещения пассажиров и багажа. С появлением несущих кузовов границы между кузовом и шасси практически стёрлись, но сохранилось функциональное разделение автомобиля на механическую часть, салон, грузовое отделение и внешнее оформление. Подробнее об экстерьере и интерьере автомобиля см. страницы Дизайн автомобиля и Интерьер автомобиля.

Во внутреннем устройстве автомобиля можно выделить шесть структурных компонентов:

Рама — это металлическая конструкция, которая несёт на себе кузов и другие компоненты. У автомобилей с отдельной рамой кузов является независимым структурным элементом и крепится к раме с помощью кронштейнов. Рама, двигатель, трансмиссия, подвеска, колёса и системы управления вместе образуют отдельное шасси, способное самостоятельно передвигаться без кузова. Рама обычно сделана из стали или алюминия и сама по себе выступает элементом пассивной безопасности машины.

По форме выделяют несколько разновидностей рам:

  • Лонжеронная (лестничная) рама состоит из двух продольных лонжеронов, соединённых поперечинами (траверсами), которые бывают прямыми, К-образными, Х-образными или трубчатыми. Лонжероны имеют прямоугольное швеллерное или замкнутое (короб) сечение, либо круглое сечение (трубчатая рама).
  • Периферийная рама — тоже состоит из продольных лонжеронов, но они расположены по периметру кузова на большом расстоянии друг от друга. В отличие от обычной лестничной, такая рама позволяет значительно опустить пол автомобиля и уменьшить его общую высоту.
  • Хребтовая рама — несущим элементом шасси является толстая центральная труба, соединяющая двигатель, коробку передач и ведущий задний мост.
  • Вильчато-хребтовая и Х-образная рамы — первая представляет собой хребтовую раму с передней и задней вилками для крепления двигателя и заднего моста, вторая — раму с продольными лонжеронами, в центральной части объединёнными в закрытый трубчатый профиль.
  • Несущее основание — хребтовая или лонжеронная рама, объединённая с полом автомобиля для повышения жёсткости, при этом пол в салоне отделён от кузова.

Преимущества рамной конструкции заключаются в простоте конвейерной сборки, возможности постоянного изменения дизайна автомобиля, простоте замены повреждённых панелей кузова, способности выдерживать большие нагрузки и хорошей шумо- и виброизоляции салона. В то же время рамные автомобили всегда тяжелее машин с несущим кузовом, при этом их конструкция невыгодна с точки зрения безопасности и рационального размещения узлов и агрегатов, а салон меньше по объёму из-за проходящих под кузовом лонжеронов. В наше время рамное шасси сохранилось только на грузовиках, полноразмерных пикапах и больших внедорожниках.

В современных легковых автомобилях функции рамы выполняет несущий кузов, который несёт на себе всё внутреннее оборудование. Как правило, такой кузов имеет несущий каркас из сваренных деталей и днище, а к ним крепятся подвижные элементы (двери, капот, багажник). Ранние автомобили с несущим кузовом оснащались приваренной к кузову обычной рамой или передним и задним подрамниками, забиравшими на себя часть нагрузки. Среди несущих кузовов различают каркасно-панельные (все внешние панели закреплены на внутреннем металлическом или деревянном каркасе), скелетные (панели являются несущими наряду с каркасом) и оболочковые (панели сварены в цельный корпус, заменяющий каркас) конструкции. Также существует бескаркасно-скорлупный тип несущего кузова (монокок), выполненный из высокопрочных композитных материалов (стеклопластика, углеродного волокна) и не требующий дополнительных усилений (хотя иногда объединённый с лонжеронными подрамниками).

Читать еще:  Вытягивание кузова автомобиля

Промежуточное положение между рамой и несущим кузовом занимает т.н. пространственная рама, которая сделана из алюминия или прочной стали и несёт на себе как внутренние агрегаты, так и отдельные панели кузова (обычно алюминиевые или пластиковые). На спортивных и гоночных автомобилях часто использовалась жёсткая пространственная рама из тонких труб.

Лестничная рама

Х-образная рама

Трансмиссия полноприводных автомобилей имеет свои особенности. Различают подключаемый вручную (4WD), подключаемый автоматически и постоянный (AWD) полный привод. В первом случае автомобиль оснащается дополнительной раздаточной коробкой, распределяющей крутящий момент между ведущими мостами, обеспечивающий устойчивое движение машины по бездорожью на понижающих скоростях и отключающая одну ось. Во втором случае обычно применяется вискомуфта в сочетании с самоблокирующимся дифференциалом (Torsen), а в автомобилях с постоянным полным приводом наряду с двумя межколёсными дифференциалами устанавливается центральный межосевой дифференциал.

Колесо — это движитель автомобиля, обеспечивающий его связь с дорогой и передвижение по ней. Колесо обычно состоит из ступицы, диска и металлического обода, а одевающаяся на обод шина является отдельным элементом. Размер колеса — это диаметр его обода в дюймах, обычно колеблется в пределах 10-25″. В каждом автомобиле есть ведущие (соединённые с трансмиссией и создающие при контакте с дорогой тяговое усилие), ведомые и управляемые (поворачивающиеся по команде водителя) колёса. Управляемые колёса всегда передние, ведущими могут быть как передние, так и задние. По конструкции выделяют следующие виды колёс:

  • Спицованные — с деревянными или металлическими спицами, встречаются только на классических автомобилях.
  • Стальные штампованные — сделаны из стального листа, диск приваренный к ободу.
  • Легкосплавные — изготовлены из алюминиевого или магниевого сплава, бывают литые, кованые и комбинированные.
  • Композитные — сделаны из лёгких композитных материалов.

Шина — упругая резиновая оболочка колеса, обеспечивающая сцепление с дорогой и поглощающая удары. Пневматическая шина состоит из покрышки с протектором и камеры (в бескамерных шинах камера отсутствует). В зависимости от внутренней структуры различают радиальные и диагональные шины, от предназначения — летние, зимние и всесезонные. В маркировке шины по метрической системе указываются ширина профиля (мм), отношение высоты профиля к ширине (%), тип (радиальная или диагональная) и диаметр обода («). Например, 225/50 R16.

В особых случаях вместо колёс на автомобилях применяются комбинированные движители. Это может быть полугусеничный движитель, состоящий из передних колёс (иногда со съёмными лыжами) и одного или двух задних мостов на гусеницах. Полугусеничные движители использовались на довоенных автомобилях повышенной проходимости и автосанях. Очень редко встречаются комбинации колёс и водомётного движителя (в амфибиях) или лопастного винта (в автомобилях на воздушной подушке).

Мост — это агрегат, соединяющий колёса на одной оси. Мосты крепятся к раме или несущему кузову с помощью подвески (см. Подвеска). Мост может быть ведущим (с ведущими задними колёсами), управляемым (в заднеприводных автомобилях с ведомыми передними колёсами), комбинированным (в переднеприводных и полноприводных автомобилях с ведущими передними колёсами) и поддерживающим (в переднеприводных автомобилях с ведомыми задними колёсами). По типу подвески выделяют неразрезные (зависимая подвеска) и разрезные (независимая подвеска) мосты.

Назначение рулевого управления заключается в изменении направления движения автомобиля за счёт поворота управляемых колёс. Состоит из рулевого колеса, рулевого механизма и рулевого привода. Водитель управляет автомобилем, вращая рулевое колесо, расположенное под необходимым углом. Рулевой механизм увеличивает приложенное усилие водителя и преобразует вращательное движение рулевого колеса в поступательное движение рулевых тяг. Он имеет передаточное число, обеспечивающее поворот колёс на максимальный угол за несколько оборотов рулевого колеса. Рулевой привод — это система тяг и шарниров, соединяющих рулевой механизм с управляемыми колёсами независимо от колебаний подвески. Детали рулевого привода образуют рулевую трапецию.

Существует три основных типа рулевых механизмов:
глобоидально-червячный (состоит из закреплённого на рулевом валу глобоидального червяка и ролика, вращающего связанную с рычагами ось);
винт-шариковая гайка (винтовой вал рулевого колеса перемещает гайку, связанную через тяги с рулевой трапецией);
реечный (закреплённая на рулевом валу шестерня двигает рейку, которая через тяги поворачивает колёса).

Для снижения прикладываемого к рулевому колесу усилия применяются усилители рулевого управления. Они бывают трёх типов: гидравлические (ГУР), электрогидравлические (ЭГУР) и электрические (ЭУР).

Тормозная система предназначена для снижения скорости движения автомобиля вплоть до полной остановки, а также для надежного удержания его на месте. Рабочая тормозная система обеспечивает замедление и остановку автомобиля, а стояночная — удерживает его неподвижно на дороге. Подробнее см. страницу Тормоза

Типы кузовов легковых автомобилей. Кузов несущей конструкции, рамная и полурамная конструкция кузова. Виды кузовных рам


Трёхобъёмный кузов имеет три функциональных отсека (моторный отсек, салон и багажное отделение). Например: лимузин, купе, седан, кабриолет.

Двухобъёмный кузов имеет два функциональных отсека. Пассажирский салон, «совмещённый» с багажным отделением и моторный отсек. Примеры: универсал, хэтчбек, комби.

Моторный отсек, салон и багажник являются единым пространством в однообъёмном кузове. Пример: мини-вэны с центральным расположением силового агрегата или фургоны типа «буханка».

Кузова бывают открытыми и закрытыми, пассажирскими, грузопассажирскими и грузовыми.

Краткий обзор некоторых типов кузовов (см. рис.):

  1. Лимузин (от лат. limes – закрытый, ограниченный) – трёхобъёмный (на базе седана), или двухобъёмный (на базе универсала) кузов, со стеклянной перегородкой между водителем и пассажирами, закрытого типа, но иногда со сдвигающейся крышей. Кузовом комплектуются автомобили представительского класса;
  2. Седан – закрытый кузов легкового автомобиля. В классическом исполнении имеет четыре двери, центральную стойку и три чётко выраженных объёма — моторный отсек, пассажирский салон и багажник. Багажник структурно отделён от пассажирского салона;
  3. Купе (от фр. coupes – укороченный, купированный) – закрытый кузов легкового автомобиля. В классическом исполнении имеет три чётко выраженных объёма — моторный отсек, пассажирский салон и багажник. Багажник структурно отделён от пассажирского салона. От седана отличается меньшим объёмом пассажирского отделения (иногда, только для двух пассажиров) и двухдверным исполнением;
  4. Хэтчбэк (от англ. hatchback от hatch — люк и back — сзади) – закрытый двухобъёмный кузов с укороченным задним свесом, где пассажирский салон объединён с багажным отсеком. Крыша салона продлена до заднего габарита и в задней части, как правило, скошена. Имеет три или пять дверей. Одна из дверей – задняя, служит для доступа в багажник. Багажник может быть функционально отделён от салона специальной крышкой;
  5. Универсал (от лат. universalis — общий) – закрытый, двухобъёмный кузов легкового автомобиля. Пассажирский салон объединён с багажным отделением. Имеет, как правило, пять дверей. Пятая дверь – задняя, для доступа в багажное отделение. Крыша салона продлена до заднего габарита. От хэтчбэка отличается увеличенным задним свесом и отсутствием задней кузовной панели для удобства пользования грузовым отсеком (погрузки и разгрузки);
  6. Кабриолет (от фр. cabriolet) – кузов с откидывающимся верхом, на базе седана, т.е. в классическом исполнении – трёхобъёмный, четырёхдверный, с числом посадочных мест – от 4-х, но чётких градаций не существует. Откидывающийся верх выполняется из полотна или пластика.
    К кузовам открытого типа также относятся: родстер — открытый кузов на базе купе, фаэтон — открытый кузов на базе четырёхдверного универсала, тарга — открытый кузов на базе купе с задним стеклом и дугой безопасности.
  7. Пикап (от англ. pickup — поднимать, отрывать, подвозить) — двухобъёмный кузов легкового автомобиля коммерческого назначения с открытой грузовой платформой, которая структурно отделёна от пассажирского салона стационарной перегородкой. В случае оснащения кузова жёстким несъёмным верхом пикап превращается в фургон.

Кузовы несущей конструкции выпускаются с 50-х годов прошлого столетия.

Корпус несущего кузова (см. рис.), объемный, из листового металла толщиной 0,5 –2,0 мм., представляет собой жесткую сварную конструкцию (до трех тысяч сварочных точек), состоящую из отдельных, предварительно собранных, узлов: основания (пола) 4 с передней и задней частями корпуса, левой и правой боковин 1 со стойками дверей и задними крыльями, крыши 2 и передних крыльев 3.
Согласно общемировой классификации Союза работников технического надзора, все элементы кузова подразделяются на несущие первичные, несущие вторичные, а также детали облицовки.

К первичным несущим элементам и узлам кузова относятся главные лонжероны, основной поперечный лонжерон, стойки дверей и места креплений (двигателя, КП, подвесок, амортизационных стоек, опор педали тормоза, дверных петель и замков, буксирного устройства).

Вторичными несущими элементами и узлами кузова считаются малые параллельные, продольные и поперечные лонжероны, диагональные полые распорки, надколёсные арки, пол кузова (включая полые профили), крылья (если они приварены к корпусу), наружные декоративные панели (если они приварены и если на них установлены приборы сигнализации и освещения).

К деталям облицовки относятся передняя и задняя панели, крылья (если они соединены с кузовом при помощи резьбовых соединений), капот, крышка багажника, пол багажника (если он не является местом крепления буксирного устройства).

Большинство автомобилей имеет несущие кузова бескаркасной конструкции. Такой кузов обычно имеет стальной неразъёмный корпус, к которому прикреплены капот двигателя, крышка багажника, двери, крылья и детали декоративного оформления (облицовка радиатора, передний и задний бамперы, накладки и т.п.). В двухобъёмных кузовах (универсал, хэтчбек) крышкой багажника служит задняя дверь. Такие кузова имеют относительно меньшую жёсткость, большие размеры и сложность пространственных форм деталей.

Жёсткость несущего кузова обеспечивается образованием специальных профилей из штампованных деталей, которые при соединении создают закрытые коробчатые сечения. Элементы несущего кузова типа «седан» можно посмотреть на рисунке.

Долговечность кузова зависит от его конструкции и условий эксплуатации и составляет 2 – 10 и более лет до наступления предельного состояния. Под предельным состоянием кузова понимается состояние, при котором дальнейшая эксплуатация кузова недопустима по условиям безопасности, а восстановление технически невозможно или экономически неоправданно.

Рамная конструкция кузова.

Рама является самостоятельным узлом автомобиля и выполняет функцию несущей конструкции. На раму крепятся все части и механизмы автомобиля, включая кузов. Рама воспринимает все силы, возникающие при движении автомобиля. По способу передачи нагрузок выделяют следующие типы рам: 1). Пространственные рамы, применяются в кузовах, воспринимающих большие нагрузки (например, спортивные автомобили); 2). X – образные рамы, находят применение в автомобилях повышенной проходимости и удобны для независимой подвески каждого колеса; 3). Хребтовые рамы, представляют собой основание в виде «трубы» с поперечными траверсами; 3). Рамы с лонжеронами, наиболее распространены среди несущих конструкций как легковых, так и грузовых автомобилей (см. рис.). Рама состоит из двух продольных балок – лонжеронов прямоугольного профиля и некоторого числа поперечин (траверс). Элементы рамы скреплёны между собой сваркой и/или клёпкой.

Конструкцию с несущим основанием образуют элементы несущей рамы, соединенные с профильными элементами панели пола. Полученное таким образом основание, представляет собой отдельный узел автомобиля.

Land Rover Defender. Несущий против рамы

Если вам кажется, что производителей внедорожников в последнее время бросает из одной крайности в другую, то могу вас уверить, что в этом нет ничего нового и поиск оптимальных решений вёлся всегда: жёсткий мост или независимая подвеска, рама или несущий кузов…

Считается, что первым массовым гражданским внедорожником с несущим кузовом стала отечественная «Нива». До неё были либо армейские модели, либо инженерные прототипы. Теперь же каждый второй автомобиль, претендующий на звание внедорожника, построен на несущем кузове. И не только кроссоверы, но и вполне себе полноразмерные модели. И даже с удлинённой базой. Потому что времена поменялись: новые сплавы, новые технологии, новые компоновочные решения, – но споры на тему, что предпочтительнее для внедорожника, продолжаются до сих пор. Совсем недавно очередную волну дискуссий спровоцировало появление нового Land Rover Defender. Мы решили присоединиться к спору, взяв эту модель как пример автомобиля с несущим кузовом, и оценить его преимущества и недостатки в сравнении с рамной конструкцией.

Снаряженная масса

До недавнего времени машины с несущими кузовами были если не тяжелее, то уж точно не легче рамных, в которых основную нагрузку принимала на себя прочная лестничная конструкция и сам кузов можно было сделать легче. Пример – классический Defender. Проблема возникала только с пассивной безопасностью. Ситуацию переломил Land Rover Discovery 3 – при его проектировании использовали переосмысленную технологию «рама в кузове», которая была популярна в США в конце 1950-х.

В ней кузов, по сути монокок, как бы окружает раму. Однако та конструкция получилась тяжёлой и не слишком технологичной. При этом, вспомните, с 2001 года производился Range Rover в несущем кузове, с применением лёгких сплавов как в силовых элементах, так и в обвесе. Внедорожник, прямо скажем, немаленький, но при этом относительно лёгкий, и никто не скажет, что его кузов слаб. И уж тем более не упрекнёт в скверной проходимости.

Вес рамы примерно 200 кг, но это не значит, что кузов, в который её интегрировали, потяжелеет на столько же. Его придётся усиливать. Причём не только лонжероны, но и стойки, и моторный щит, и каркас крыши. Практически всё! Правда, так происходило раньше, когда раму натурально втискивали в уже имеющиеся обводы и пропорции, стараясь использовать готовые агрегаты и одновременно вписаться в нормы пассивной безопасности.

Но стоит подойти к процессу по-новому и спроектировать несущий кузов с нуля, без зон избыточной прочности, применяя местами не металл, а пластик, как выяснится, что вес-то можно снизить при равной, а то и большей прочности. К тому же современные сплавы позволяют очень гибко подойти к их выбору, местам размещения силовых элементов и сминаемых зон, делая конструкцию и прочнее, и легче. Ведь уже существуют полностью алюминиевые внедорожники. Вернее, легкосплавные.

А рама, спросите вы? А что рама? Без рамы не обойтись там, где производитель хочет сэкономить на конструировании и производстве кузова, где вопрос пассивной безопасности стоит не слишком остро или где нужно перевозить неподъёмные грузы по не слишком хорошим дорогам. Поэтому грузовики и пикапы, которые нагружают не только водителем и парой байдарок, нескоро лишатся рамы.

Несущий кузов из легких сплавов выглядит непривычно. В нем штампованные детали соседствуют с прокатом и даже литыми элементами

Хотя у рамной конструкции есть ещё одно преимущество, крайне полезное на любых дорогах. Поскольку рама всегда привинчена к кузову через резиновые подушки, она концентрирует на себе и не пускает в кузов вибрацию и шум. Однако и в несущих кузовах давно решили эту проблему, применяя подрамники – по сути тот же кусочек рамы, только локальный и компактный.

Управляемость и экономичность

Понятно, что рамный автомобиль сложно научить хорошо управляться. При прочих равных машина с монококом будет более предсказуемой и реакции на поворот руля у неё будут чётче. Всё из-за тех же резиновых подушек. В ситуации с подрамником колёса тоже не связаны с кузовом жёстко – небольшую часть точности руления съедят его подушки, хотя больше уводов и нарушений геометрии колёс дадут банальные сайлент-блоки, которые есть и в рамной машине. Для любителей активной езды могу добавить, что и электроника у монокока настроена на более позднее срабатывание, предоставляя пилоту больше свободы. Крены, бич рамных внедорожников, у несущего кузова будут меньше, это очевидно. Так что с точки зрения езды по асфальту у рамной конструкции вообще нет никаких преимуществ. Пассивная безопасность хуже, активная тоже. Чуть лучше комфорт, и, пожалуй, всё.

Читать еще:  Покраска авто из баллончика: как самому покрасить машину?

Кстати, под активной безопасностью я имею в виду не только управляемость, но и динамику (в том числе тормозную). Даже упомянутая электроника, которая у машин с несущим кузовом хоть и вмешивается позже, но срабатывает быстрее, исправляя траекторию, снижая скорость или останавливая автомобиль. Да, я знаю, это звучит как парадокс: позже начинает, но быстрее срабатывает. Однако на самом деле всё именно так и происходит. Лучшие современные внедорожники проходят тот же «лосиный тест» на скоростях чуть меньших, чем демонстрируют седаны близких размеров. И все они с несущим кузовом.

При одинаковом дорожном просвете внедорожник с несущим кузовом всегда ниже рамного. Рама больше не отнимает 15 см, на которые раньше приходилось поднимать пол

Что касается экономичности, то на бездорожье нет большой разницы между рамными и несущими платформами, а вот на асфальте она может быть заметной. Машины с кузовом монокок, как правило, обладают лучшей аэродинамикой. Проще говоря, они ниже без потери дорожного просвета. И центр тяжести у них ниже. Соответственно, на скоростях выше городского потока они выигрывают литр-полтора.

Комфорт и вместимость

А вот тут лидера найти сложнее, потому что всё зависит от конкретного автомобиля. С одной стороны, забираться в салон классического рамного внедорожника не всем удобно – пол высок. С другой, несущие кузова, как правило, снабжают солидными порогами, через которые надо ещё переступить. По крайней мере, раньше это было нормой – кузов с «лодочкой». Впрочем, тут снова вмешиваются технологии. Посмотрите на фото нового Defender – порожков почти нет. И одновременно с этим обратите внимание на мощные стойки крыши – недаром жёсткость кузова у него втрое выше, чем у, скажем, Land Rover Freelander 2. Так же и с положением передних кресел. Первые внедорожники с несущим кузовом отличались легковой посадкой – низко и с вытянутыми ногами. Хотя рамные, особенно родом из Азии, тоже страдали странной эргономикой: высокий пол, низкое расположение кресел, вытянутые вперёд ноги. Какая уж тут капитанская посадка — за рулём бы поместиться.

Крыша у автомобиля с интегрированной в кузов рамой значительно прочнее. Она выдержит и раскладной дом, и его постояльцев

Современные внедорожники с несущим кузовом могут предложить практически любую конфигурацию салона – хоть легковую, хоть автобусную. Устанавливая кресло на высоте, которая удовлетворяет самого придирчивого начальника отдела эргономики, мы косвенно получаем и достаточную длину подушки. Для кого-то это неважно, но в дальней дороге длинноногие оценят. Хорошо, когда не только высоко сидишь – далеко глядишь, но и ноги твои не болтаются в воздухе, да и всем частям тела комфортно. Причём пресловутая капитанская посадка теперь получается без увеличения габаритной высоты всего автомобиля: центр тяжести ниже – и устойчивость лучше, и управляемость, и экономичность, и вместимость. Рама больше не отнимает пятнадцати сантиметров, на которые раньше приходилось поднимать пол.

Land Rover Defender в своё время мог похвастать тем, что при наличии соответствующей подвески вёз тонну груза. Причём по любым дорогам. Новый может взять на борт почти 900 кг и ехать почти по любому бездорожью. Ну или везти семь пассажиров. Да, я не оговорился, именно пассажиров, потому что включая водителя – восемь. И ещё 300 кг багажа! Правда при полном экипаже велика вероятность, что не весь скарб поместится в багажник, и тут снова проявляются преимущества несущего кузова – на крышу можно загрузить 180 кг. Это в динамике. Во время стоянки нагрузку можно удвоить.

Прочность, низкий центр тяжести, доступная высота крыши… Из-за того что вес кузова внедорожников рамной конструкции нельзя увеличивать, их порой делали недостаточно прочными там, где не было критичных, по мнению конструкторов, нагрузок. Например, стойки и каркас крыши. То есть, выходит, невероятная грузоподъёмность крыши нового Defender – это побочный эффект применения несущего кузова. Очень полезный, надо сказать, эффект.

Единственный минус несущего кузова — толстые стойки крыши. Они гарантированно спасут экипаж при аварии, но бессовестно снижают обзорность

Выносливость

Ну и наконец, последний и некогда самый спорный пункт. Да, рама из профиля толщиной стенки 4 мм будет дольше сопротивляться вибрациям и скручивающим нагрузкам. Только такие рамы сейчас даже для грузовиков не всегда делают. Ведь всё это будет весить тонну! А если 2 мм стали, растянутые в лестницу или собранные в трёхмерный каркас с просчитанными зонами нагрузок да специально подобранными материалами и сплавами? Вот, уже задумались. Я даже не стану приводить в пример спортивную офф-роудную технику – там особые условия. Но всё же не могу не упомянуть. Все, кто строит внедорожный болид для трофи, «формулы офф-роуд» и даже триала, начинают не с отрисовки рамы, а с каркаса. И кстати, обратите внимание, подвеску всё чаще независимую делают. Впрочем, это тема отдельной дискуссии.

У несущего кузова немало преимуществ и по части свободы при компоновке. В любой точке салона можно получить любое силовое крепление. Как, к примеру, у этого среднего места в переднем ряду

Итак, убедил ли я себя в том, что современный несущий кузов лучше рамы? Пожалуй, да. Ну не нашёл я других аргументов, говорящих в пользу рамы, кроме «дешевле» и «не требует использования высоких технологий». Может быть, поэтому рама сегодня всё больше превращается в рудимент, а подавляющее большинство внедорожников выпускают с несущим кузовом.

Текст: Евгений Хапов, фотографии: компании-производителя

Подпишись на канал 4×4 CLUB в Яндекс.Дзен

Несущая конструкция кузова

Назначение

Несущий кузов представляет из себя конструкцию, к которой крепятся все элементы автомобиля. Стоит отметить, что помимо несущей рамы и несущего кузова есть и третий вариант, который можно назвать промежуточным: это кузов с интегрированной рамой. Такая схема применяется сейчас в основном на тракторах, грузовиках и некоторых внедорожниках.

Устройство

Несущий кузов имеет упрочненные элементы: например, крышу, стойки, пол багажники. Поэтому в плане безопасности и надежности несущие кузова имеют преимущество над рамными конструкциями. Ко всем автомобилям предъявляются определенные требования, касающиеся аэродинамики и эргономике. Поэтому материал, из которого изготавливают «скелет» автомобиля особенно важен.

В роли этого скелета выступает силовой каркас. Он представляет из себя сваренную конструкцию, включающую: стойки, крышу с рамками окон, дно автомобиля, лонжероны, усиленные балки и так далее.

Для каждого элемента – свой материал. Дверные проемы и пол изготавливают из стальных сплавов повышенной прочности, также как и вертикальные части рамки лобового стекла и поперечные балки, которые отделяют салон от багажника. Верхнюю же часть рамки лобового стекла и центральных стоек, если они есть, делают из конструкционной стали. Однако самая прочная из всех разновидностей стальных сплавов применяется для подмоторного каркаса и балки перед бамперами. А вот элементы, которые не влияют на пассивную безопасность, например, внешнюю обшивку, зачастую делают алюминиевой, иногда – пластиковой, в при производстве спортивных автомобилей – из углеволокна. Это уже зависит от того, насколько производителю важно избавиться от «лишнего» веса автомобиля.

Кузов автомобиля имеет и так называемые зоны деформации: это места со сниженной жесткостью. Они созданы для того, чтобы поглощать энергию удара при аварии.

От кузова напрямую зависит аэродинамика автомобиля, или, проще говоря, сопротивление воздуху. Поэтому при работе над созданием кузова специалисты учитывают такой параметр, как коэффициент лобового сопротивления. Для этого сейчас используют программу, в которой можно виртуально «продуть» в аэродинамической трубе трехмерную модель будущего автомобиля. При положительном результате (а современные легковые автомобили имеют коэффициент лобового сопротивления в диапазоне от 0,26 до 0,40) можно приступать к пластилиновому моделированию. Интересный факт: производитель обычно указывает заниженный коэффициент лобового сопротивления – это маркетинговых ход. Допустимая погрешность составляет порядка 20%.

Именно кузов отвечает за пассивную безопасность водителя и пассажиров. Он – второй «защитник» после подушек безопасности и ремней. Для этого в конструкции кузова предусмотрены несколько зон разной степени жесткости. Например, передняя и задняя часть автомобиля – более податливая, благодаря чему способна принять на себя и поглотить энергию удара. А вот корпус делают более жестким, неподверженным деформации – дабы избежать травмоопасных ситуаций. А чтобы проверить, насколько автомобиль соответствует нормам безопасности, проводят специальные испытания – краш-тесты.

История

Впервые конструкцию с несущим кузовом получил автомобиль итальянской компании Lancia – это была модель Lancia Lambda 1922 году. Правда, ее кузов хоть и был несущим, однако сильно отличался от современного. В основу лег пол с «туннелем» для карданного вала и мощными поперечными балками. К нему приваривались вертикальные стойки – дверные проемы. Далее закреплялись внешние панели, но не усиленные, как у современных автомобилей.

Идея создания автомобиля с такой конструкцией пришла в голову Винченцо Лянча под впечатлением от устройства самолетов – ведь у них все элементы крепятся непосредственно к фюзеляжу.

Позже, в послевоенные годы, безрамные автомобили появились в США, азатем и у нас – первым среди них стала «Победа».

История и эволюция несущего кузова

Основой автомобиля с момента его рождения была рама. Начиная с 30-х годов прошлого века конструкторы неоднократно пытались усовершенствовать это инженерное решение.

Сегодня рама сохранилась главным образом на грузовиках и некоторых внедорожниках. Большинство легковых автомобилей имеет несущий кузов. Все нагрузки, передаваемые через колеса и подвеску, воспринимают в нем стальные элементы — панели, штампованные профили, которым в самых ответственных местах придают коробчатое замкнутое сечение. Так формируется силовой каркас кузова, по которому распределяются воздействующие на него усилия — от неровностей дороги, массы перевозимого груза, пассажиров и т.д.

Сварная конструкция из штампованной стали наиболее технологична в поточном производстве. При замене рамы несущим кузовом днище салона опускается на величину высоты лонжеронов рамы. Соответственно снижается центр тяжести. Автомобили с несущими кузовами имеют меньшую массу по сравнению с однотипными рамными. Вследствие этих причин в середине тридцатых годов XX века многие автомобильные фирмы перешли на «монокок» — так в ряде стран до сих пор именуют несущие кузова.

Чистота идеи

Первой развернула в 1934 году массовое производство легковых автомобилей с такими кузовами французская фирма «Citroen». Это была поистине революционная машина Traction Avant.

Правда, еще с 1922 года «Lancia» выпускала модель Lambda с открытым несущим кузовом типа фаэтон. Но в отличие от современного понимания этого термина у нее скорее была «разросшаяся» рама в виде пространственного каркаса, собранного из замкнутых профилей. И хотя многие автомобильные историки считают Lambda пионером настоящего «монокока», итальянцы сделали лишь первую попытку.

В отличие от них «Citroen» и «Opel» (модель Olympia, 1935 год) создали подлинно несущие кузова, у которых нагрузку воспринимали все панели. Причем крыша и днище тоже являлись силовыми элементами.

Возможны варианты

Разумеется, фаэтон или кабриолет с несущими кузовами имеют недостаточную жесткость. В результате в них приходится вводить усилители, особенно в зоне днища.

У автомобилей с продольно расположенным двигателем узел подвески передних колес, создающий основную нагрузку на передок, вынесен слишком далеко вперед и требует усиления. При такой схеме между продольными коробчатыми лонжеронами и моторным шитом несущего кузова устанавливают подкосы, как было на «Волге» ГАЗ-21. Подкосы либо приваривают к кузову, либо крепят болтами.

Первой отечественной моделью с несущим кузовом стала в 1946 году «Победа». За ней в 1950 году появился ГАЗ-12 (или ЗИМ). Его несущий кузов имел не два. а три ряда сидений за счет откидных страпонтенов. Любопытно, что этот автомобиль изначально разрабатывали как фаэтон! В результате большая длина его кузова вынудила конструкторов ввести подкосы и мощную поперечину в зоне подвески задних колес.

Однако такая мера мало повышала комфортабельность столь солидного авто: на кузов практически напрямую продолжали передаваться все удары и вибрации от колес, возникал шум… Поэтому со временем у лимузинов появился «посредник», прикрепленный к нижним силовым элементам кузова на резиновых подушках, — подрамник. В дальнейшем два подрамника, передний и задний, начали устанавливать на многие машины высшего класса.

Фирма «Citroen», всегда отличавшаяся оригинальными техническими решениями, первой превратила подрамник в сборочную единицу: у модели CX 1974 года его вместе с двигателем можно было «выкатить» из моторного отсека вперед. Постепенно передний подрамник перекочевал и на автомобили компактного класса. Так удобнее всем: седокам, технологам, механикам на станции техобслуживания.

Подводные камни

Однако не забудем, что несущий кузов с его панелями, обычно изготовляемыми из тонколистовой (0,7—1,2 мм) стали, легко поддается коррозии. Иногда дело доходит и до сквозного проржавления, что приводит к серьезному ослаблению несущей системы.

Пока традиционалисты изыскивали рецепты антикоррозионной защиты (двухсторонняя оцинковка, многослойные грунт и краска с внешней стороны), в 60-е годы появились несущие кузова из стеклопластика. Первенство в этом принадлежит спортивному автомобилю Lotus Elite 1. Чтобы придать некоторым элементам его кузова коробчатое сечение, использовались шесть (!) основных модельных форм и две вспомогательные. Все они накладывались друг на друга и затем склеивались. В результате получилась легкая и прочная конструкция.

Почти одновременно появились комбинированные кузова. Например, у восточно-германского Trabant моделей P50 и P601, выпускавшихся национализированным заводом DKW, несущая часть кузова была сварена из стали. А наружные панели, не воспринимающие нагрузок, делали из пластмассы Duroplast, армированной опилками, отрубями и Бог знает чем еще. Помните фильм Кустурицы «Черная кошка, белый кот», где брошенный на обочине дороги «Траби» постепенно поедает свинья?

Однако время убогих социалистических технологий давно миновало. Конструкторы продолжают искать достойную замену стальному листу. Революционное решение выдвинул немецкий концерн «Volkswagen». На серийных моделях Audi A8 и A2 он применил несущий кузов из алюминиевого сплава! Причем получил именно каркасное строение, с обвязочными брусьями, как у дальней предтечи от Lancia Lambda. Только теперь эта технология пришла из мира авиации и космонавтики: сварная силовая «клетка» получила название ASF (Audi Space Frame).

С другой стороны, новейший Jaguar XJ — первый автомобиль с несущим кузовом из алюминия, сделанным по такой же штамповочной технологии, что и стальной. Однако панели его соединены уже вовсе не сваркой, а заклепками и клеем! С внедорожниками еще интереснее: в последнее время их раму стали «вваривать» в кузов. Так сделано у Jeep Cherokee, Chevrolet TrailBlazer, Mitsubishi Pajero и т.п. Инженерам удобнее рассчитывать деформации кузова и его несущих элементов как единого целого, да и центр тяжести машины понижается…

Несколько слов об автобусных несущих кузовах. Их основа напоминает горизонтально лежащую ферму от железнодорожного моста, к которой приваривают каркас из вертикальных труб прямоугольного сечения. Наружные панели из стали или алюминия жестко соединяются с ним и воспринимают часть нагрузки.

Итак, «монокок» прочно утвердился не только в легковом автомобилестроении. За последние двадцать лет конструкторы снабдили его сминаемыми по травмобезопасному алгоритму зонами спереди и сзади, сделали жестче на кручение, а теперь «учат» по-особому реагировать на разные удары… Но об этом — отдельный рассказ.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector