Рамная конструкция кузова
Рамная конструкция кузова — один из видов несущих систем автомобиля
У автомобиля, как и у человека, имеется свой скелет. Именно к нему прикрепляются все навесные системы и элементы. Называется такой каркас несущей системой автомобиля. Эти системы бывают рамными или безрамными. Чем же они отличаются?
Типы несущих систем
В основе рамных несущих систем лежит жесткая стержневая конструкция, в которой элементы соединены между собой во всех или нескольких узлах. Именно к этой отдельной раме в дальнейшем прикрепляются все основные системы автомобиля (двигатель, рулевое управление и т.д.). Кузов тоже может крепиться к раме. Такая система характерна для грузовых автомобилей, тракторов и внедорожников.
В безрамных системах функцию опоры выполняет сам кузов, т.е. становится несущим. Такие системы сложны в изготовлении, обслуживании и ремонте. Тем не менее, они часто используются для современных легковых автомобилей и минивэнов.
В рамно-кузовных системах рама и кузов представляют собой единую конструкцию. Нагрузки распределяются между рамой и каркасом кузова. Эта система проста в изготовлении и обслуживании.
Устройство рамы
Рама – это самая тяжелая часть автомобиля. В среднем масса рамы составляет около 15% от общей массы машины. Рама должна быть прочной, одновременно крепкой и легкой, обладать высокими технологическими качествами. Основные детали рамы – это две продольные балки, соединенные поперечными. Количество балок меняется в разных марках машин. Рамы часто изготавливают переменной ширины: в зоне двигателя чуть шире, а в зоне заднего моста уже. Наиболее распространены клепаные рамы. Они просты в изготовлении и наиболее технологичны. При мелкосерийном производстве возможно болтовое соединение. Бывают и цельносварные рамы, использование которых целесообразно для тяжелой дорожной техники. К отдельной раме кузов обычно крепится за счет кронштейнов на болтах с толстыми резиновыми прокладками, которые нужны для уменьшения уровня вибраций, получаемых кузовом.
Рамы классифицируют в зависимости от типа несущей структуры.
Лонжеронные. По своей конструкции эти рамы похожи на обычную лестницу. Поэтому иногда можно встретить название «лестничная рама». Состоят такие рамы из продольных балок (лонжеронов) и поперечин. Применяются почти во всех грузовиках.
Переферийные. У этих рам лонжероны в центральной части значительно раздвинуты. При установке кузова они оказываются за порогами дверей. Это позволяет значительно опустить пол кузова и уменьшить общую высоту автомобиля. Такая конструкция повышает безопасность при боковом столкновении. Этот тип рамы использовался в советских автомобилях ЗИЛ.
Хребтовые. Главный элемент такой рамы – центральная трансмиссионная труба. Конструкция используется в автомобилях с независимоей подвеской обеих осей. Преимущество хребтовой схемы – повышенная крутильная жесткость. Однако ремонт крайне затруднен, поэтому используют этот вид редко, лишь на грузовиках улучшенной проходимости.
История появления рамных конструкций
Идея использовать раму в качестве несущей конструкции возникла еще в самом начале развития автомобилестроения. В конных экипажах каркас кузова был деревянный, но для автомобиля его прочности было бы недостаточно. Поэтому первые автомобильные рамы делались по аналогии с железнодорожным транспортом.
Впрочем, рамы сначала тоже изготавливали из твердого дерева и лишь иногда из металлических труб.
В 20-е годы чехословацкая фирма «Татра» придумала хребтовую раму и применила ее на ряде своих моделей. Однако эта инновация использовалась лишь в Чехословакии и не нашла реализации в других странах.
Примерно в это же время машиностроители предложили пространственную раму. Аналогию они провели с конструкцией лодочного корпуса. Первый автомобиль с такой рамой — это Lancia Lambda 1922 года.
Американская компания «Оберн» (Auburn) в те же годы разработала лонжеронную раму с Х-образной поперечиной. Она соединила в себе относительную легкость и повышенную крутильную жесткость.
Некоторые довоенные автомобили оснащались сильно облегченной рамой. Она хоть и была отделена от кузова, но самостоятельно выдержать всех нагрузок не могла. Поэтому часть из них все равно приходилась на кузов. Пример автомобиля с такой системой – Ford Prefect.
Уже после Второй Мировой войны популярность приобретает несущий кузов. Однако не все фирмы-производители стремились перейти на производство автомобилей с таким типом каркаса. Ведь при рамной конструкции можно было менять дизайн кузова, в то время как рама оставалась в том виде, в каком и была. В случае с несущим кузовом автомобиля изменение дизайна становилось очень сложной и дорогостоящей задачей.
Рамы легковых машин и внедорожников с 70-х годов до нашего времени практически не изменились. Определенную эволюцию прошла лишь технология их производства. Например, появился метод штамповки эластичными средствами (обработка металлов давлением). Однако используют сами рамы сейчас значительно реже, чем в 70-е. В основном ими оборудуются большие пикапы и внедорожники.
Преимущества и недостатки
В современных легковых автомобилях предпочтение отдано несущему кузову. Это происходит в силу ряда причин. Несмотря на явные преимущества (простая конструкция, упрощенная сборка автомобиля на заводе, легкий ремонт), у рамного кузова есть и существенные недостатки. Во-первых, при разделении функций кузова и рамы, приходится значительно увеличивать массу. Во-вторых, лонжероны, которые проходят под кузовом, забирают у пассажирского салона значительную часть. Пороги оказываются большими, а это затрудняет посадку в автомобиль. В-третьих, у рамных автомобилей уровень пассивной безопасности значительно ниже, ввиду возможности смещения рамы относительно кузова при ударе. В-четвертых, плоская рама уступает несущему кузову по показателю жесткости на кручение.
Таким образом, так как легковой автомобиль должен быть и комфортным и безопасным, несущий кузов для него стал незаменим. В тех же автомобилях, которым необходимо работать в сложных условиях, используют только рамные конструкции.
Полезно? Лайкаем и делимся со своими подписчиками!
Рамный или несущий? Какой тип кузова лучше для внедорожника и почему
Споров по поводу того, какая конструкция автомобильного кузова лучше — рамная или несущая, становится все меньше. Использование современных материалов и передовые методы проектирования позволяют создавать структуры, обеспечивающие несущему кузову и легкость, и прочность. И не случайно новейшие Land Rover Defender и Land Rover Discovery имеют в своей конструкции именно несущие кузова. А ведь эти автомобили — признанные покорители бездорожья.
Если абстрагироваться от эмоций, то обе «стороны баррикады» по-своему правы. Важно, для какой цели приобретается автомобиль. Нужен легкий грузовичок? В этом случае рама действительно позволит обеспечить повышенную грузоподъемность, да и клиренс в зависимости от степени загрузки существенно меняться не будет. Вы большой поклонник жесткого бездорожья и путешествия по непроходимым дебрям доставляют вам несказанное удовольствие? Возможно, рамная конструкция вам и в этом поможет, но это уже не столь очевидно. Здесь главным преимуществом «рамника» станет возможность обеспечить большие, нежели у несущих аналогов, ходы подвески. Кроме того, лонжероны — это дополнительный демпфирующий элемент, который экранирует шумы и вибрации от дороги. В случае с несущими кузовами конструкторам придется озаботиться дополнительной шумо- и виброизоляцией. Немаловажен и другой момент: кузов для рамных машин легче модифицировать, то есть у разработчиков появляется больше возможностей для расширения модельной гаммы, базирующейся на одной платформе.
На «стапелях» сборочного конвейера —
кузова нового Land Rover Defender.
В то же время рамный внедорожник будет обладать большей массой — только рама потянет килограммов на 200. Понятно, что это не буквальная разница в весе, так как сам несущий кузов, с набором усиливающих его элементов, тоже не легок. Но, тем не менее, несущая конструкция легче рамной. А значит, и динамические показатели, и экономичность у такого автомобиля, при равной «энерговооруженности», будут выше. Как и управляемость. Реакции на работу рулем более легкого автомобиля станут четче — и центробежные силы, и инерционные массы в этом случае сократятся. Здесь хорошим примером могут служить спорткары с каркасом безопасности. Такой «монолит» создает максимально жесткую связь между передней и задней подвесками, позволяет очень точно настроить характеристики амортизаторов, обеспечивает отличную обратную связь… Если же говорить о динамическом комфорте, то и тут будет лидировать автомобиль с несущим кузовом.
Так собирались рамные конструкции первых Defender.
Еще больший вклад несущий кузов вносит в повышение уровня пассивной безопасности. На раме сложнее спроектировать зоны программируемой деформации, так как при расчетах приходится рассматривать два конструктивных элемента: сам каркас и закрепленный на нем через эластичные подушки кузов. Случаи, когда во время ДТП эти крепления разрывало, отнюдь не редкость. Кроме того, в несущей конструкции легче спроектировать направляющие, по которым двигатель после удара уйдет вниз, а не в салон.
Так изнутри выглядит структура современного несущего кузова. Лонжероны, коробы, усилители. И комбинации различных материалов.
Многие считают, что «рамники» долговечнее. Но и в этом случае все не так просто. Во-первых, сама рама подвержена коррозии. Во-вторых, удары, пришедшиеся в определенные зоны рамы, могут привести к ее деформации, а значит и замене. А эта операция потребует и времени, и значительных финансовых вложений. Что касается кузова, то его долговечность зависит от того, насколько хорошо он защищен от коррозии, и этот момент, конечно же, в большинстве случаев учитывается. Например, производятся различные виды оцинковки, а при конструировании стараются исключить возникновение гальванических пар (как, к примеру, при непосредственном контакте стали и алюминия — комбинации материалов, все шире и шире используемой в современном автомобилестроении). Да что там современные, высокотехнологичные кузова — по нашим дорогам еще вовсю бегают ВАЗ-2121 «Нива» с несущими кузовами, которым от рождения по три десятка лет.
Внедорожные возможности нового Land Rover Defender. A: угол съезда 40°. B: угол рампы 28° (для версии 90 — 31°). C: угол въезда 38°. D: боковые воздухозаборники помогают автомобилю преодолевать брод глубиной до 900 мм. 
Структура кузова нового Land Rover Defender. A: 29 000 Нм/град. Самый жесткий алюминиевый кузов Land Rover.B: до 18 тонн рывковой нагрузки, приложенной к буксирным крюкам. C: структура в три раза более жесткая, чем традиционная рамная конструкция. D: до 300 кг статической нагрузки на крышу и до 168 кг динамической нагрузки на крышу. E: до семи тонн вертикальной нагрузки на подвеску.
Инженеры компании Jaguar Land Rover имеют богатый опыт проектирования как рамных конструкций, так и несущих кузовов, и возможностей для сравнения характеристик у них более чем достаточно. Кстати, в автомобилях Land Rover использовались и «переходные» варианты, такие как интегрированная рама. По сути это — силовой каркас, повторяющий геометрию кузовных элементов. В ходе испытаний выяснилось, что жесткость кузова с интегрированной рамой Land Rover Discovery третьего поколения составляет 15 000 Нм/град., что само по себе отличный результат. Но прогресс не стоит на месте: у более свежего несущего кузова Discovery пятого поколения этот показатель в полтора раза выше: 23 000 Нм/град. А новый Defender и вовсе бьет все рекорды, демонстрируя 29 000 Нм/град. Согласитесь, весьма неплохой аргумент.
Юрий Овчинников,
организатор трофи-рейда Ladoga Trophy
В чем прелесть рамных автомобилей и какими они бывают
Все знают, что настоящий крутой внедорожник должен быть рамным, иначе это не внедорожник вовсе, а кроссовер. А, собственно, почему? Мы выяснили, по какой причине конструкторы автомобилей пришли к рамным схемам и как такие конструкции развивались с годами.
Как собрать воедино все агрегаты самобеглой коляски, обеспечив их точное взаиморасположение при любых условиях движения? Первые автоинженеры об этом долго не думали. Все было уже придумано до них, и варианты были перед глазами: или несущий «кузов» телеги и кареты, или рамная конструкция паровоза и прочего железнодорожного транспорта. Тогда вопрос был решен в пользу рам, а сегодня автомобили с традиционной рамной конструкцией встречаются довольно редко. Хотя элементы рамной схемы использует большинство современных серийных машин.
Что такое рама?
В общем понимании рама (в терминологии первой половины прошлого века — остов) — это пара лонжеронов из металлического профиля, соединенных несколькими поперечинами. Рама служит основой, силовым каркасом, на который «навешиваются» кузов, силовой агрегат, элементы подвески и т.д.
«Остов» автомобиля начала века, фото: Wikipedia.org
Почему конструкторы выбирали раму?
1. Несущий кузов был или недостаточно жестким, или слишком тяжелым — сказывался тогдашний низкий уровень технологий.
Важная особенность рамной конструкции, плоской по сути, заключается в низком сопротивлении кручению по сравнению с несущей конструкцией коробчатого по своей сути кузова. На протяжении всей «рамной эпохи» этот вопрос решали двумя способами — увеличивая толщину металла и количество поперечин или меняя характеристики самого металла.
Проблема в принципе оказалась решаемой, тем более не всегда низкая сопротивляемость кручению вредила автомобилям. Так, в массовом советском грузовике ЗИС-5 «эластичная» рама («перепады» между диагонально противоположными концами рамы могли достигать 3-4 см) значительно повышала проходимость трехтонки, не позволяя на ухабах колесам вывешиваться. Потеря контакта колеса ведущего моста с дорогой чревата остановкой машины из-за «ухода» крутящего момента на поднявшееся колесо, поэтому трехтонка ЗИС ценилась на фронтовом бездорожье в период Великой Отечественной.
2. На одной и той же платформе можно было продавать множество моделей автомобилей под разные запросы клиентов.
Это сейчас термин «платформа» понимают как некую общность деталей двух разных авто. В первой половине ХХ века технология работала буквально.
Многие автомобили продавались в виде шасси — рамы со всеми агрегатами ходовой части вплоть до руля и педалей, а кузов клиент уже сам заказывал специализированному ателье. В итоге покупатель, обладая достаточным количеством финансов, мог позволить себе абсолютно эксклюзивный авто с полностью серийной агрегатной базой. Сейчас такое уже, увы, невозможно.
«Остов» автомобиля начала века, фото: Wikipedia.org
Эволюция рамы
Изначально для изготовления остова применялись твердые породы дерева, реже —металлические трубы. В 1910-х годах на грузовых автомобилях уже стали внедрятся рамы с привычным нам открытым профилем.
Лонжеронные рамы
В английской терминологии этот вид рам часто называют лестничным из-за внешней схожести с одноименным предметом. Два продольных лонжерона чаще всего выполнены из открытого профиля. Форма поперечных балок бывает разной (К-образные, Х-образные, перпендикулярные), а фрагменты рам могут соединяться между собой при помощи сварки (преимущественно легковые автомобили), заклепок (грузовики) или даже болтов (штучные экземпляры).
Лонжеронная рама, фото: Wikipedia.org
Сегодня клепаные рамы чаще всего применяются на пикапах и грузовых автомобилях. К лонжеронным рамам некоторые инженеры также относят и Х-образные рамы, которые значительно легче (на них построена вся американская классика 50-х, а также советские «Чайки» — ГАЗ-13 и ГАЗ-14). Главное преимущество лонжеронной рамы — простота конструкции и технологичность. Главные же недостатки — большой вес и громоздкость, что отрицательно сказывалось на полезном пространстве внутри машины.
Хребтовые рамы
История хребтовых (центральных) рам началась в 20-х годах ХХ века в Чехии. Конструкторы автомобилей марки «Татра» первыми разработали и внедрили новую схему в свои автомобили. Главный элемент конструкции — труба, соединяющая картер заднего ведущего моста с силовым агрегатом и трансмиссией. Внутри этой несущей на себе всю нагрузку трубы расположен вал без карданного шарнира, передающий крутящий момент с двигателя на колеса. То есть соединение, в отличие от всех современных задне- и полноприводных автомобилей, было жестким.
Как показал опыт эксплуатации, основными преимуществами хребтовой рамы являются высокая крутильная жесткость и возможность легко создавать многоосные полноприводные конструкции. Основным недостатком считается трудный доступ к встроенным в раму агрегатам.
Хребтовые рамы в свое время применялись на легковушках, а сегодня успешно применяются как раз на грузовиках-вездеходах марки «Татра». Достаточно сказать, что на такой машине «Татра» Карел Лопрайс, выступая в марафоне Париж — Дакар, за 14 лет (с 1988 по 2002 год) шесть раз становился чемпионом в классе грузовиков и четырежды завоевывал серебро.
Грузовой автомобиль «Татра»
Вильчато-хребтовые рамы
И снова Чехия… Вильчато-хребтовые рамы появились впервые перед Второй мировой на автомобилях родом из этой страны — «Шкодах» и «Татрах». Иногда вильчато-хребтовые рамы называют видом хребтовых рам. Главная особенность данного вида в том, что передняя и задняя части представляют собой трезубцы, образованные центральной трубой каркаса и отходящими от нее двумя лонжеронами, которые используются для крепления узлов и агрегатов.
В отличие от автомобилей с хребтовой рамой, в машинах с вильчатой конструкцией используется обычный карданный вал, а картеры мостов и двигателя не являются единым целым с центральной трубой. Яркими носителями этой конструкции являются довоенные «Татра-77» и «Татра-87». Это были революционные для своего времени комфортабельные автомобили: они отличались одновременно крайне низким для 30-х годов прошлого века коэффициентом лобового сопротивления (0,34), умеренным «аппетитом» и неважной управляемостью, вызванной заднемоторной компоновкой. Сегодня вильчато-хребтовые рамы в автомобильной промышленности не используются.
Периферийные рамы
Они являются следующим витком эволюции лонжеронных рам и нашли массовое применяться на американских «дредноутах» и крупных европейских легковых авто (к примеру, Opel Admiral) первой половины 60-х, по этому же принципу созданы все советские представительские лимузины, начиная с ЗИЛ-114.
Лонжероны в данной конструкции разнесены так широко, что при установке кузова они оказываются возле самых порогов. Вывод массивных элементов рамы к бортам автомобиля позволил конструкторам заметно понизить уровень пола в машине и уменьшить высоту самого автомобиля.
Главными плюсами периферийной рамы считаются высокая стойкость конструкции к боковым ударам, а также лучшая приспособленность к конвейерной сборке. Главный же ее недостаток заключается в том, что такая рама не может сама воспринимать все нагрузки, поэтому кузов автомобиля должен быть более прочным, жестким, что сказывается на его весе.
До недавних пор (до 2012 года) с таким типом рамы выпускался комфортабельный седан Ford Crown Victoria, ставший символом американского такси и полицейского автомобиля 1990-2000-х годов. Инженерам удалось достигнуть удивительных показателей комфорта, в том числе благодаря применению особых резиновых демпферов, через которые кузов крепился к раме.
Ford Crown Victoria
Пространственные рамы
Пространственные или трехмерные рамы впервые появились в большом автоспорте в 20-х годах прошлого века. Они чаще всего создавались из тонких труб (изготавливавшихся с применением легированных сталей, изделиям из которых несвойственно кручение).
Вообще, трубные конструкции с трудом переносят нагрузки на изгиб. Поэтому, конструкторы стремились всегда к тому, чтобы трубы нагружались только на сжатие или растяжение, но не «на излом». Сегодня в автоспорте пространственные рамы уступили место монококам, но обрели вторую жизнь в автобусостроении. Кстати, до начала 2000-х годов все минивэны Renault Espace были построены именно на пространственной раме — трубчатый каркас обшивали кузовными панелями. Ради безопасности и удешевления производства от этой схемы отказались.
Пространственная рама Mercedes-Benz 300SL Coupe (Gullwing) W198 (1954)
Несущее днище
Несущее основание автомобиля — это промежуточный этап между рамной конструкцией и несущим кузовом. В этом варианте рама объединяется с полом кузова. Самым массовым и самым известным обладателем несущего днища является германский «Фолькваген Жук», у которого кузов крепился к плоской панели пола на болтах. Также по схожему принципу выполнен другой массовый автомобильчик из соседней Франции — Renault 4СV аналогичной с «Жуком» заднеприводной компоновки.
Такая конструкция достаточно технологична при крупносерийном производстве, и притом удается обеспечить низкий центр тяжести машины и низкий уровень пола в салоне. У большинства современных автобусов днище также является несущим, только кузов к нему приваривается, а не прикручивается.
Гибридные конструкции
Хоть ее кузов и был уже типичным цельнонесущим, спереди у нее имелся полноценный подрамник. Вваренный в пол, он имел вид двух лонжеронов, тянущихся от переднего бампера до зоны ног передних пассажиров. Впрочем, интеграция рам в тело кузова (или, если хотите, «обрастание» кузова элементами рам) — это уже другая тема, которой мы посвятим следующую статью.
Читайте также:
Для комментирования вам необходимо авторизоваться
