Несущие конструкции автомобилей. Что в основе?

Сначала – о рамных конструкциях. Рама – это прочная конструкция, к которой крепятся все остальные детали. Она может быть клепаной, сварной или литой. На заре автомобильной эпохи применялись клепаные несущие конструкции, и использовались они на легких автомобилях. Литые рамы применялись крайне редко, и то на небольших авто. А вот сварные конструкции находятся в производстве до сих пор, несмотря на всеобщее признание несущих кузовов, правда, сейчас ими оснащаются лишь серьезные внедорожники. Сварные рамы имеют ряд преимуществ: их части штампуются, большинство деталей сваривается между собой при помощи электросварки, а некоторые элементы делаются съемными (части, к которым крепится силовой агрегат, и те, которые находятся в наиболее часто подверженных деформациям местах). При покупке рамного внедорожника следует обратить внимание именно на несущую основу – с течением времени или при неблагоприятных условиях эксплуатации рама может треснуть или даже лопнуть, причем такие дефекты образуются в самых нагруженных местах. В результате повышаются вибрации, снижается комфорт от езды, и в скором времени рама может просто «сложиться». Исправить дефекты не сложно, но после ремонта несущей конструкции за ней придется тщательно следить.

Несущая рама пикапа Ford F-150

Одно из основных преимуществ рамной конструкции состоит в том, что основу и кузов можно собирать параллельно, соединяя практически полностью готовое шасси с отделанным салоном в последний момент. Кроме того, у такой машины после долговременной езды по плохим дорогам не будет перекосов дверных проемов и трещин на стойках лобового стекла. И еще немаловажный момент: если взять два внедорожника одного класса, – рамный и безрамный – и посмотреть на их склонность к опрокидыванию, то можно заметить, что первую машину перевернуть существенно сложнее, ведь у нее центр тяжести гораздо ниже.

Кузов с интегрированной рамой, Jeep Cherokee 1984

Кузов с интегрированной рамой – промежуточное звено между несущим кузовом и несущей рамой. Если нагрузки на автомобиль небольшие, необходимая жесткость создается кузовом, а на серьезном бездорожье или при езде по городским ямам часть нагрузки берет на себя подрамник, обычно идущий по всей длине автомобиля, но являющийся менее прочным по сравнению с несущей рамой. Первым в мире внедорожником с кузовом с интегрированной рамой является американский Jeep Cherokee, который появился в 1984 году.

Первый в мире автомобиль с несущим кузовом - Lancia Lambda 1922

Большинство современных легковых автомобилей имеют несущий кузов. Впервые такую конструкцию применили на итальянской Lancia Lambda 1922 года. Ее создатель (и по совместительству владелец фирмы) Винченцо Лянча обратил внимание, что у самолетов все детали крепятся непосредственно к фюзеляжу, и решил поэкспериментировать с автомобильным кузовом. Основой первого в мире несущего кузова являлся пол с тоннелем для карданного вала и мощными поперечинами, к которому приваривались вертикальные стойки, ограничивающие дверные проемы, и другие наиболее важные детали. К основе несущего кузова Lancia Lambda крепились внешние панели, не столь прочные, как каркас – та конструкция, которая была использована итальянцами в 1922 году, представляет собой скорее пространственную раму, чем полноценный несущий кузов. Несущий кузов является гораздо более «серьезной» на вид конструкцией, чем пространственная рама. По сравнению с ней, в полноценном несущем кузове упрочненными являются крыша, задние стойки, пол багажника, и, иногда, задние крылья. Но в любом случае, каждая из разновидностей безрамных конструкций должна выполнять определенные требования по эргономике, аэродинамике, надежности (в этом плане несущие кузова предпочтительнее), безопасности и прочности.

Из каких же материалов изготавливаются классические несущие кузова и пространственные рамы? Верх рамки лобового стекла и верхние части центральных стоек крыши делают из конструкционной стали. Дверные проемы и пол изготавливаются из стальных сплавов повышенной прочности; а более нагруженные вертикальные части рамки лобового стекла и поперечины, отделяющие салон от багажника – из прочной стали. Наконец, из особо высокопрочной стали делаются подмоторный каркас и балки, перед которыми ставятся бамперы. При этом внешние панели, не влияющие на пассивную безопасность, могут быть не только стальными, но и алюминиевыми, пластиковыми и даже стекловолоконными – применение таких материалов повышает стойкость к коррозии и снижает вес автомобиля в целом.

Несущий кузов Toyota Camry 2007 модельного года

Аэродинамика, то есть сопротивление воздуху, в большей степени зависит от второстепенных деталей (бамперов, капота, крышки багажника, крыльев, дверей и т.д.), чем от основы кузова, но привести ее на требуемый уровень возможно, лишь изменяя все детали. При расчетах автомобильных кузовов на аэродинамику учитываются всевозможные параметры, но обычно в технических характеристиках выставляется всего один из них – это коэффициент лобового сопротивления воздуху (Сх). У современных массовых легковушек Сх равен 0,28 – 0,40 (большие цифры обычно относятся к универсалам и минивэнам). Обратите внимание: реальный коэффициент лобового аэродинамического сопротивления всегда больше того, который заявлен производителем, но не более чем на 20%. Сейчас в автомобилестроении наблюдается следующая тенденция: прежде чем создавать даже пластилиновый макет будущего авто, в виртуальной аэродинамической трубе (то есть, в тоннеле с мощными вентиляторами) «продувается» его трехмерная модель. В случае чего, дизайнеры исправляют свои ошибки, и только после этого начинаются настоящие испытания. Макет автомобиля (обычно, в масштабе 1:1) обдувают потоком подкрашенного воздуха и следят за движением потока. Машина устанавливается на площадку с высокоточными весами, которые определяют такие параметры как подъемная и прижимающая сила. Интересный момент: при неудачно проработанной аэродинамике в движении нагрузка частично перераспределяется на заднюю ось, что относительно хорошо для заднеприводных машин, но плохо – для переднеприводных. В последнем случае расход топлива возрастает значительно, но и в первом случае автовладельцу придется больше тратиться на бензин или солярку.

Краш-тест Fiat Stilo по методике Euro NCAP

Кузов в значительной степени отвечает за пассивную безопасность автомобиля. В целях ее оценки, машины, как серийные, так и концепты, разбивают и сами производители, и специальные (обычно некоммерческие) организации. Логично, что автолюбители больше доверяют независимым экспертам, самый известный из которых – Euro NCAP. Специалисты из подобных организаций подсчитывают полученное автомобилем число баллов и переводят его в звезды (максимальная оценка Euro NCAP – пять звезд). Краш-тесты бывают самыми разными – от банального контакта с неподвижным препятствием и бокового столкновения с другим автомобилем до опрокидывания и искусственной «встречи» с деревом или столбом. Все верно – ведь нужно учитывать столкновения как с деформируемым, так и с недеформируемым препятствиями. Кстати, в качестве первого выступает барьер из алюминия, имитирующий встречную машину. А в роли участников аварии – манекены с подключенными датчиками (сейчас почти повсеместно используются американские Hybrid III, есть и модели, имитирующие несовершеннолетних пассажиров). Кроме того, методика Euro NCAP предусматривает и «встречу» манекена с несущейся на него машиной. В мире имеется ряд организаций, исследующих результаты краш-тестов. В Соединенных Штатах действуют две наиболее известные – это IIHS («Страховой институт дорожной безопасности», оценка ставится по четырехбалльной шкале) и NHTSA («Национальное управление по безопасности дорожного движения», у которой деление автомобилей на классы заметно отличается от методики Euro NCAP). В Японии изучением пассивной безопасности автомобилей занимается «Национальная организация автомобильной безопасности и помощи жертвам ДТП» (NASVA, ее методика называется JNCAP, и согласно ей, о препятствие разбивается не весь автомобиль, а только его кузов). «Австралийская автомобильная ассоциация» использует методику ANCAP, совпадающую с общепризнанной Euro NCAP, но классы автомобилей отличаются. При выборе автомобиля следует обращать внимание на баллы, полученные при разных краш-тестах, ведь в разных странах машины продаются в разных комплектациях, и только изучив итоги различных испытаний, можно прийти к выводу об уровне пассивной безопасности того или иного автомобиля.

Краш-тест KIA Cerato по методике Euro NCAP

Что же все-таки лежит в основе любого автомобиля? Двигатель? Кузов? Рама? Электроника? Тормозная система? На этот вопрос вряд ли можно дать однозначный ответ – без электроники машина может существовать, если убрать раму, все узлы можно прикрепить к кузову, а вот без тормозов, двигателя, кузова и коробки передач ездить вряд ли возможно. Что в машине самое главное, каждый решает сам. Но, несомненно, тип и конструкция кузова являются одними из наиболее важных критериев при выборе автомобиля.