Конструкция несущего кузова автомобиля

Устройство автомобилей

Рама автомобиля

Несущая система автомобиля

Несущая система служит для установки и крепления всех агрегатов и механизмов автомобиля. Она воспринимает поперечные и продольные нагрузки, изгибающие и крутящие моменты, передаваемые двигателем, трансмиссией и мостами автомобиля, а также колесами и подвеской в результате взаимодействия автомобиля с дорогой, ускорением и торможением.

Несущей системой может являться отдельный элемент – рама либо непосредственно кузов автомобиля, поэтому все автомобили подразделяются на рамные и безрамные (имеющие несущий кузов).
Существуют также рамно-кузовные несущие системы, которые часто применяются на автобусах, при этом рама и основание кузова объединены в одну конструкцию.

К несущей системе автомобиля предъявляются следующие требования:

• достаточная прочность и жесткость;
• стабильное взаимное положение механизмов автомобиля;
• высокая технологичность при эксплуатации и ремонте;
• минимальная масса;
• сохранение кинематического согласования работы механизмов автомобиля и их работоспособности при изгибах и закручивании элементов несущей системы.

Преимущества рамной несущей системы:

• простота и надежность конструкции;
• технологичность при производстве и ремонте;
• универсальность (на одну и ту же раму можно устанавливать различные типы кузовов и на одном и том же шасси выпускать обычные и специальные автомобили).

Для грузовых автомобилей, имеющий отдельный кузов для груза и кабину для водителя и пассажиров, рамная конструкция является наиболее удобным техническим решением.

Несущие кузова применяются на легковых автомобилях особо малого, малого и среднего классов, а также на большинстве автобусов.

Преимущества несущих кузовов:

• уменьшение массы автомобиля;
• уменьшение высоты автомобиля;
• понижение центра тяжести автомобиля, следовательно, повышение его устойчивости;
• распределение нагрузки по всей конструкции автомобиля, а не только в раме.

Недостатками несущих кузовов является сложность изготовления и ремонта, а также низкая универсальность при применении на автомобилях разного назначения – даже незначительные изменения компоновки автомобиля требуют затратных изменений в конструкции кузова.

Рама автомобиля

Рама является остовом автомобиля, т. е. его «скелетом». Она воспринимает все внешние и внутренние нагрузки, возникающие при движении автомобиля и даже при его стоянке – вес груза, пассажиров и размещенных на ней механизмов и устройств, а также моменты и усилия, передаваемые двигателем и агрегатами трансмиссии и ходовой части. По этим причинам к автомобильным рамам предъявляются требования:

• необходимая жесткость и прочность;
• минимальная масса;
• рациональная форма, допускающая низкое расположение центра тяжести автомобиля, достаточные ходы подвески, элементов рулевого управления и углы поворота управляемых колес.

Классификация автомобильных рам

Рамы бывают лонжеронные и хребтовые (центральные).
Лонжеронные рамы, в свою очередь, подразделяются на лестничные и периферийные.
Разновидностью хребтовых рам являются Х-образные рамы.

Лонжеронные рамы

Лестничная лонжеронная рама

Лестничная лонжеронная рама (рис. 1, рис. 2, а) состоит из двух лонжеронов 1 (продольных балок), которые соединены между собой поперечинами 2. Лонжероны и поперечины имеют швеллерное сечение, при этом полки швеллеров при сборке рамы обращены внутрь.
Толщина листовой стали, из которой изготавливают лонжероны, составляет 5…10 мм. В качестве материала для элементов конструкции автомобильных рам применяются низкоуглеродистые стали, которые хорошо поддаются холодной штамповке.
Иногда применяются титанистые стали, позволяющие благодаря их более высоким механическим свойствам снизить массу рамы на 15…20%.

Лонжероны могут располагаться параллельно или сходиться в передней части автомобиля с целью образования свободного пространства, необходимого для поворота управляемых колес. В соответствии с распределением нагрузки на рамы для двухосных автомобилей наибольшее сечение лонжерона находится в средней части рамы, уменьшаясь к концам рамы.
Переменное сечение лонжеронов позволяет снизить массу и расход металла, без существенного снижения прочности и жесткости рамы. Кроме того, такая конфигурация лонжеронов позволяет снизить центр тяжести автомобиля, что немаловажно для повышения его устойчивости при криволинейном движении и маневрировании.

Для снижения центра тяжести балки лонжеронов у легковых автомобилей и грузовых автомобилей небольшой грузоподъемности часто выгибают над осями и мостами в вертикальной плоскости.

Жесткость рамы повышают установкой косынок и раскосов между лонжеронами и поперечинами. Лонжероны и поперечины скрепляют между собой клепкой в холодном состоянии или сваркой. Широкое применение клепаных соединений обусловлено хорошей стойкостью к вибрационным нагрузкам.
Сварные рамы отличаются большой жесткостью, но сложнее в ремонте и менее прочны в местах, прилегающих к сварным швам.

Поперечины крепятся к полкам лонжеронов и их стенкам. Места расположения поперечин и форма их поперечного сечения (коробчатая, корытообразная, Z-образная, П-образная и т. д.) выбираются исходя из равнопрочности рамы по всей длине.

Поперечины обязательно устанавливаются в месте крепления кронштейнов рессор, двигателя, бензобаков, в местах установки балансирной рессоры (для трехосных автомобилей), а сами лонжероны в этих местах часто усиливаются специальными вставками.

Поперечины штампуются из той же листовой стали, что и лонжероны. При сложной форме поперечин используются высокопластичные стали. Однородность металла элементов рамы диктуется возможностью возникновения гальванических токов при применении разного металла для лонжеронов, поперечин, заклепок и усилительных элементов. Гальванические токи инициируют коррозию и могут доставить другие неприятности при эксплуатации автомобиля.

Для рам автомобилей большой и особо большой грузоподъемности применяются прокатные профили из малоуглеродистых низколегированных сталей. Материал прокатных профилей имеет более высокие механические характеристики, чем листовая сталь. Однако масса таких рам больше, так как лонжероны по всей длине имеют одинаковое сечение.

Периферийные рамы

Периферийные рамы (рис. 2, в) могут применяться в конструкции несущей системы легковых автомобилей. Лонжероны периферийной рамы проходят по периферии пола кузова автомобиля и создают ему естественный порог. Это увеличивает сопротивляемость кузова боковым ударам.

Свободная средняя часть рамы позволяет опустить пол кузова, повысив тем самым устойчивость автомобиля. Для увеличения хода колес автомобиля лонжероны выгибаются в вертикальной плоскости над передним и задним мостами. Средняя часть рамы расположена ниже этих выгибов.

Хребтовые рамы

Хребтовая рама (рис. 2, г) состоит из одной центральной несущей балки 9, к которой прикреплены поперечины 10 и различные установочные кронштейны. Центральная балка, внутри которой размещается карданная передача, имеет трубчатое сечение.
Если на легковых автомобилях хребтовая рама обычно неразборная, на грузовых автомобилях центральная балка состоит из картеров отдельных агрегатов трансмиссии автомобиля, которые соединяются между собой специальными патрубками.

Между картерами и патрубками устанавливаются кронштейны для крепления кабины, грузового кузова, двигателя и других агрегатов. Такая разъемная хребтовая рама универсальна, так как, изменяя длину, можно создавать семейства автомобилей с различным числом ведущих мостов и с разными базами на одних и тех же унифицированных агрегатах.
Хребтовая рама позволяет снизить массу автомобиля на 15…20%, так как сами агрегаты трансмиссии образуют элементы рамы. Хребтовая рама обладает более высокой жесткостью по сравнению с лонжеронной рамой, однако такая рама требует применения легированных сталей для изготовления картеров агрегатов трансмиссии и соединительных патрубков, а также высокой точности при изготовлении. Кроме того, при техническом обслуживании и ремонте автомобиля затрудняется доступ к механизмам трансмиссии и требуется частичная, а иногда и полная разборка рамы.

Х-образная рама (рис. 2, б) позволят увеличить углы поворота управляемых колес, тем самым улучшить маневренность автомобиля. Эта рама также позволяет понизить пола кузова, центр тяжести автомобиля, увеличить его статическую и динамическую устойчивость.

Дополнительные элементы конструкции автомобильных рам

К раме крепят кронштейны для рессор, амортизаторов, крыльев, подножек и другие элементы кузова и кабины автомобиля.
На переднем конце рамы устанавливается буфер и буксирные клюки. Буфер предназначен для восприятия толчков и ударов при наездах и столкновениях. В задней части грузовых автомобилей расположено буксирное устройство.
На усиленную переднюю поперечину устанавливают переднюю опору двигателя.

Тягово-сцепное устройство автомобиля

Тягово-сцепное устройство (или, как его обычно называют – фаркоп) предназначено для сцепки автомобилей тягачей с прицепами и смягчения осевых толчков, возникающих при движении автопоезда.

Тягово-сцепное (буксирное) устройство (рис. 1, б) представляет собой стальной кованый крюк 18, на стержне которого между двумя упорными шайбами 9 и 20 установлен резиновый упругий элемент 10, поджимаемый гайкой 8. Стержень крюка в сборе с буфером размещен в корпусе 11, который вместе с крышкой 19 болтами прикреплен к задней поперечине рамы. Выступающий из стакана конец стержня с зашплинтованной на нем гайкой 8 закрывается колпаком 7.
Защелка 17 крюка стопорится собачкой 13, установленной на оси, а также предохранительным шплинтом 14, соединенным цепочкой 16 и входящим в отверстие собачки 13.

Надрамник автомобиля-самосвала

Несущая система автомобилей-самосвалов кроме основной рамы включает еще дополнительную укороченную раму – надрамник, на который устанавливается грузовой кузов и крепятся элементы механизма подъема кузова. Надрамник позволяет снизить нагрузку на заднюю часть основной рамы автомобиля при подъеме кузова во время разгрузки, принимая часть этой нагрузки и распределяя ее равномерно по основной раме. Надрамник выполняется сварным из штампованной листовой стали. Он крепится к раме самосвала с помощью стремянок и болтовых соединений.

На рис. 3 показан надрамник автомобиля самосвала марки «КамАЗ», который состоит из двух лонжеронов 3, соединенных поперечинами 2,4,8 и 11. В задней части, где возникают наибольшие нагрузки, надрамник имеет Х-образный усилитель 6, а его лонжероны снабжены усилителями 7.
Поперечины 2 и 11 имеют корытообразное сечение, остальные поперечины имеют швеллерное сечение.
К лонжеронам приварены кронштейны крепления надрамника к раме 10, ограничители боковых перемещений надрамника, кронштейны резинометаллических опор 1 кузова и кронштейны 9 осей опрокидывания кузова. К поперечине 11 прикреплены нижняя опора гидроцилиндра подъемного механизма кузова, кран управления и клапан ограничения подъема кузова.
На поперечине 2 установлена резинометаллическая опора 5, служащая дял фиксации кузова в поперечном направлении. На поперечине 4 закреплен кронштейн страховочного троса ограничителя опрокидывания кузова.

Безрамные несущие системы автомобилей рассмотрены в разделе «Кузов автомобиля».

Безопасность несущего кузова

Современные автомобили имеют кузов с пространственной структурой, которая позволяет обеспечить разумную безопасность при воздействиях, возникающих в результате столкновений с любого направления. Однако статистика ДТП показывает, что наиболее опасным является лобовое столкновение. Первые официальные правила испытаний автомобилей на безопасность появились около 35 лет назад и были написаны для случаев лобовых столкновений. Сегодня требуется проводить оценку защиты против боковых наездов и ударов сзади. Большинство изготовителей автомобилей проводят собственные испытания на безопасность при переворачивании.

Смятие передней части кузова при ударе

За последние годы выработался общий принцип, который заключается в том, чтобы разработать конструкцию несущего кузова таким образом, чтобы салон автомобиля остался бы максимально неповрежденным, в то время как передняя и задняя части были бы способны прогрессивно деформироваться, поглощая энергию столкновения. Разрушение передней и задней частей поглощает энергию столкновения через пластическую, то есть необратимую деформацию металла. Конструктивно элементы кузова выполняются так, чтобы сминаемые элементы позволяли не только поглощать максимально возможное количество энергии, но и делали это наиболее плавно с целью минимизировать пиковое замедление. Основной метод заключается в обеспечении такой деформации, при которой коробчатые профили каркаса кузова сминаются путем продольного складывания (гармошки).
Расположение и взаимодействие элементов каркаса задают таким образом, чтобы разрушение силовых элементов всегда начиналось в нужном месте, максимально гарантируя, что оно будет точно таким, как рассчитано на стадии проектирования. Для этого коробчатые профили, из которых изготавливают кузов, имеют углубления и выступы в определенных, строго рассчитанных местах, для получения концентрации напряжений.
При расчете характера разрушения, особенно передней части автомобиля, учитываются дополнительные силы инерции и жесткости таких деталей, как двигатель и передние колеса, входящие в контакт с препятствием.
Наиболее опасным и частым видом лобового столкновения является столкновение двух автомобилей с их поперечным смещением. Раньше проводились испытания на безопасность при лобовом ударе автомобиля в барьер, при котором имитировали смещение, направляя автомобиль под углом 30° к барьеру. Сейчас проводят испытания на столкновение при поперечном смещении автомобиля, ударяющегося в край барьера. Такой подход имеет одно неудобство — даже смещение только на 1 см может привести к существенным различиям в полученных результатах, так что необходима большая точность в расположении испытываемого автомобиля и анализа полученных результатов. Сила столкновения приводит к деформации пространственной конструкции барьера со стороны автомобиля по всей его ширине.
В настоящее время утвержден стандарт, в котором указывается, что столкновение с барьером должно происходить с 40%-м смещением автомобиля. Барьер представляет собой разборную металлическую сотовую конструкцию, которая может имитировать способность к разрушению встречного транспортного средства.
Стандарт Euro-NCAP устанавливает, что испытания на столкновение проводятся со скоростью 64 км/ч. Euro-NCAP не является узаконенным стандартом, но он поддержан множеством правительственных и других организаций. Большинство ведущих производителей автомобилей проводит свои испытания и на более высоких скоростях. Энергия удара при столкновении возрастает в квадратичной зависимости от скорости движения, т. е. при столкновении на скорости 80 км/ч кузов должен поглотить на 56% больше энергии, чем при скорости 64 км/ч. Автомобильные кузовы, выпускаемые с начала 1990-х гг., как правило, выдерживают эти испытания.
У кузова легкового автомобиля при лобовом столкновении, часто сильно деформируется область со стороны ног водителя, которая приводит к опасному перемещению педалей. В кузовах последних моделей усиливают эту область, а также разрабатываются конструкции безопасных педалей, которые отламываются и не травмируют ноги водителя. Конструкция дверей автомобиля должна обеспечивать возможность их открывания после лобового столкновения.

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.

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 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.