1.2.2. Полунесущий кузов
В ходе дальнейшего совершенствования конструкции автомобиля предпринимались попытки перераспределить нагрузку тяжелого кузова между рамой и самим кузовом. На первых порах несущую функцию передали лишь части кузова: от сплошной рамы шасси оставили ее переднюю и заднюю части. Средняя часть шасси была удалена и заменена кузовом. Такой конструкции присвоили название «полунесущий кузов» (Рисунок 3).
Рисунок 3. - Полунесущая конструкция кузова
1.2.3. Несущий кузов
Дальнейшей целью конструкторов стал полный отказ от использования полунесущего кузова со сложной рамой. Для решения этой задачи пригодился опыт мостостроителей. Железнодорожный мост, поддерживаемый двумя опорами, является не чем иным, как несущей конструкцией. Сам по себе автомобильный кузов должен быть настолько жесткой конструкцией, что для восприятия нагрузки оказалось достаточно, чтобы кузов опирался непосредственно на мосты (Рисунок 4). Совершенствование сварки позволило дополнительно детализировать технический принцип несущего кузова.
Рисунок 4. - Несущая конструкция кузова
1.3. Требования к кузовам легковых автомобилей
Автомобиль должен быть сконструирован так, чтобы в экстремальных ситуациях обеспечить безопасность находящихся в салоне водителя и пассажиров. Достаточно привести такой пример. Автомобиль массой около 1 т, движущийся со скоростью 50 км/ч, обладает такой же энергией, какую имеет обломок скалы массой 100 т, перемещающийся со скоростью 1 м/с.
На скоростных автомагистралях допускается движение с повышенной скоростью. Высокая скорость обгона желательна и а^ автомобилей с ограниченной мощностью двигателя. К тому же процесс обгона не должен занимать слишком много времени. Однако в прежние годы переход автомобиля на полосу обгона означал потерю скорости вследствие высокого лобового сопротивления воздуха. Для снижения аэродинамического сопротивления (коэффициента сw) потребовалось усовершенствовать геометрическую форму автомобильного кузова (Рисунок 5).
Рисунок 5. - Линии воздушного потока при обтекании тел различной геометрической формы;
а — вихреобразование за тонкой пластиной;
б — вихреобразование за сферической поверхностью;
в — воздушный поток, обтекающий каплеобразное тело;
1 — направление воздушного потока;
2 — безвихревые линии обтекания (ламинарный поток);
3 — завихряющиеся линии обтекания (вихревой шлейф, турбулентный поток)
Нефтяной кризис начала 70-х годов вызвал необходимость принятия экстренных мер в направлении экономии топлива. Были разработаны экономичные автомобильные двигатели, созданы легкие кузова, позволяющие значительно снизить расход топлива (Рисунок 6), потребляемого во время разгона. Снижение расхода топлива одновременно означает и уменьшение вредного воздействия автомобиля на окружающую среду.
Рисунок 6. - Влияние относительного уменьшения массы автомобиля на его топливную экономичность при различных режимах эксплуатации
1.4. Безопасность автомобильного кузова
Любой водитель автомобиля и его пассажиры должны учитывать, что они могут попасть в аварию не по своей вине. Идеальные условия безопасности можно создать, снабдив автомобиль тяжелым жестким кузовом. Но это привело бы к резкому снижению скорости движения и увеличению вредного воздействия на окружающую среду.
Для оценки жесткости отдельных частей кузова следует знать, в каких точках или на каких его участках происходит вход или передача статических или динамических нагрузок. При этом учитывают, прежде всего, жесткость мест крепления двигателя, подвесок и осей, рессор и амортизаторов, рулевого и тормозного механизмов, сиденья водителя и точки установки домкрата. Эти места концентрации нагрузок дополнительно усилены соответствующими профилями таким образом, чтобы происходила передача сил при всех эксплуатационных ситуациях. Несмотря на частичные различия современных легковых автомобилей, конструктивная концепция несущих кузовов у них похожа.
При проектировании передней части автомобиля должны быть решены две проблемы, которые, на первый взгляд, кажутся взаимоисключающими. С одной стороны, здесь расположены передняя подвеска и, как правило, двигатель с коробкой передач, от работы которых возникают значительные эксплуатационные нагрузки. Это означает, что должна быть обеспечена абсолютная жесткость и стабильность этой части кузова при любых ситуациях. С другой стороны, при столкновении автомобиля максимальная сила удара должна быть принята и погашена за счет деформации именно этой части кузова. При незначительных аварийных повреждениях автомобиля жесткость элементов передка кузова должна быть такой, чтобы, по возможности, сила удара гасилась до мест крепления подвески и двигателя с коробкой передач. В случае возникновения значительных аварийных нагрузок конструкция этой части кузова должна обеспечивать восприятие этой силы за счет деформации нижней части кузова, обеспечивая при этом перемещение двигателя и коробки передач вниз, под безопасный пассажирский салон. Жесткость передних дверных стоек должна быть такой, чтобы исключить возможность самопроизвольного открытия или заклинивания дверей. Рама лобового стекла не должна смещаться вниз или как-то менять своего положения, иначе стекло выпадет и станет дополнительным источником травматизма.
Передние лонжероны некоторых конструкций кузовов проектируются в соответствии с их функциональным назначением, т. е. для обеспечения надежного и стабильного положения прикрепленных к ним передней подвески, двигателя и рулевого управления. Такие абсолютно жесткие передние лонжероны при сильных аварийных повреждениях неизбежно вызывают бесконтрольную деформацию всей конструкции кузова вплоть до пассажирского салона. По-другому обстоит дело с многократно изогнутыми несущими элементами передней части кузова. Энергия удара при столкновении автомобиля гасится в многочисленных изгибах рамы, имеющей из-за этого малый момент продольного сопротивления. Это означает, что даже при относительно небольшом столкновении возникают повреждения в этих изгибах рамы, препятствующие дальнейшему распространению деформации кузова. Кроме того, такая конструкция передних лонжеронов существенно упрощает технологию ремонта аварийного кузова, так как имеется возможность замены поврежденных элементов в зависимости от степени деформации.
Задняя часть кузова автомобиля в современных моделях конструируется таким образом, чтобы места крепления задней оси находились в конце пассажирского салона. Это означает, что имеется возможность замены некоторых поврежденных элементов при незначительных аварийных деформациях кузова без нарушения мест крепления задней оси.
При проектировании задней части кузова легкового автомобиля должны соблюдаться два требования. Во-первых, следует обеспечить безопасность пассажиров, находящихся в задней части пассажирского салона, и, во-вторых, — добиться увеличения объема багажного отделения. Рациональное решение этих требований состоит в создании жесткой и стабильной конструкции этой части кузова легкового автомобиля, включающей задние усилители крыши, арки задних колес и часть пола багажного отделения.
Согласно существующей мировой классификации Союза работников технического надзора, все элементы кузова подразделяются: на несущие первичные и вторичные; детали облицовки. К первичным несущим элементам и узлам кузова относятся: главные лонжероны; основной поперечный лонжерон; стойки дверей; места креплений (двигателя и коробки передач; передней и задней подвесок; амортизаторных стоек и амортизаторов; распорки тяг; рулевого управления; главного тормозного цилиндра и опоры педали тормоза; дверных петель и замков; буксирного устройства). Вторичными несущими элементами и узлами кузова считаются: малые параллельные продольные и поперечные лонжероны; диагональные полые распорки; надколесные арки; пол кузова, включая полые профили; крылья, если они приварены к корпусу; наружные приваренные декоративные панели, если на них установлены приборы сигнализации и освещения. К деталям облицовки относятся: передняя и задняя панели; крылья, соединенные с кузовом при помощи резьбовых элементов; капот; крышка багажника; пол багажника, если он не является местом крепления буксирного устройства (фаркопа). Вторичными несущими элементами и узлами кузова считаются: малые параллельные продольные и поперечные лонжероны; диагональные полые распорки; надколесные арки; пол кузова, включая полые профили; крылья, если они приварены к корпусу; наружные приваренные декоративные панели, если на них установлены приборы сигнализации и освещения. К деталям облицовки относятся: передняя и задняя панели; крылья, соединенные с кузовом при помощи резьбовых элементов; капот; крышка багажника; пол багажника, если он не является местом крепления буксирного устройства (фаркопа).
Требования пассивной безопасности кузова предусматривают наличие жесткого пассажирского салона, а его передняя к задняя части должны быть при определенных нагрузках сминаемыми.
Задачей деформируемых зон кузова является поглощение кинетической энергии удара, причем такое, чтобы энергия была погашена раньше, чем деформация дойдет до салона. Сминание передка и задка должно быть максимальным, чтобы обеспечить по возможности меньшее замедление и, следовательно, меньшую нагрузку на находящихся в автомобиле пассажиров. Для этого передок кузова может иметь специальные участки деформации. При наезде на препятствие эти участки складываются, поглощая основную часть кинетической энергии удара.
Среднюю часть кузова, наоборот, усиливают для получения максимальной жесткости. Создание безопасного кузова требует усиления практически всех элементов корпуса в этой зоне. Стойки, пороги и усилители крыши имеют повышенную толщину металла, что значительно увеличивает жесткость наружных панелей кузова. Места же соединения элементов корпуса средней части кузова для повышения прочности, как правило, проваривают при его изготовлении сплошным швом.
Заднюю часть кузова проектируют аналогично передку, однако сминаемость ее предусматривается на большую величину.
Неравномерная жесткость корпуса кузова, при которой пассажирский отсек является по возможности наиболее жестким, а передняя и задняя части кузова по отношению к нему более эластичными, т. е. выполняющими роль амортизаторов, предохраняет пассажиров от раздавливания в случае столкновения автомобиля.
Для уменьшения последствий аварии конструкторами была увеличена длина деформируемой части кузова (до 0,6 м согласно Рисунок 7), что обеспечило наибольшее гашение энергии деформации, и повышена жесткость конструкции салона.
Рисунок 7. - Ступенчатое гашение энергии деформации благодаря неравномерной жесткости кузова
Кроме того, для уменьшения энергии деформации соответствующим образом конструируют поясную линию кузова. Благодаря этим мероприятиям не каждое столкновение вызовет деформацию салона. Такие своеобразные конструктивные барьеры вызывают деформацию лишь тех элементов кузова, которые принято называть зонами деформации. Величину деформации первого или второго подобного барьера можно варьировать. Таким образом, сознательно создаются «слабые места» за счет придания передним лонжеронам формы растянутой гармоники, специального сужения, искривления лонжеронов или изготовления лонжеронов из алюминиевой трубы (Рисунок 8) и т. п.
Рисунок 8. - Деформация лонжерона, выполненного из алюминиевой трубы постоянного сечения
Благодаря этому при наезде на препятствие автомобиля, движущегося на небольшой скорости (например, 30 км/ч), элементы кузова, находящиеся позади таких «слабых мест», не деформируются. В этом случае уже на стадии конструирования можно предусмотреть возможность замены элементов кузова со «слабыми местами». Существенное сопротивление деформации оказывает и сам автомобильный салон. Находящиеся внутри него водитель и пассажиры, если они пристегнуты ремнями безопасности, практически не пострадают при столкновении на скорости до 50 км/ч.
Чтобы обеспечить желаемое деформационное смещение, применяют также кузовные детали с переменной толщиной стенки, то есть создают дополнительные локальные утолщения стального листа или меняют форму детали. Если бы оказалось возможным рентгенографирование автомобильного кузова, то на рентгенограмме были бы хорошо видны жесткие зоны кузова.
Конструкции современных кузовов легковых автомобилей при всех их достоинствах имеют тот недостаток, что энергопоглощающие элементы корпуса кузова являются чаще всего одновременно деталями крепления агрегатов и узлов шасси автомобиля. Даже незначительные повреждения кузова в этих местах влекут за собой снижение ходовых качеств, проявляющееся в ухудшении управляемости и устойчивости, в склонности к заносу и опрокидыванию, неравномерному износу шин, в повышении внешнего шума. Все это повышает требования к технологии ремонта аварийного кузова.
В результате исследований последствий столкновений накоплен большой объем статистических данных, анализ которых позволяет сделать вывод, какие части автомобиля повреждаются чаще всего. В зависимости от обстоятельств аварии чаще повреждается либо левая, либо правая сторона кузова.
Важную роль в конструкции безопасного кузова играют бамперы и буферы. Форма, способ их крепления к кузову и материалы, из которых они выполнены, должны обеспечивать наибольшее поглощение энергии удара. При установке жесткого бампера на кузов требуется, чтобы крепление его было упругим. Для этого бамперы имеют специальную энергопоглощающую конструкцию крепления — пружинного, гидравлического или газового типа. Энергия удара в этом случае расходуется на преодоление сопротивления пружины или движению поршня амортизатора, заполненного жидкостью или газом. Эффективность амортизирующих бамперов проверяют испытанием автомобиля на столкновение с неподвижным препятствием при скорости 30 км/ч, при этом деформации кузова быть не должно.
Пластмассовые бамперы изготавливают из специальных материалов, поглощающих энергию удара как, например, из пористого полиуретана.
Бамперы и буфера обеспечивают полную пассивную безопасность кузова при ударе о постоянное жесткое препятствие при скорости автомобиля до 8 км/ч.