Конструкция кузовов современных легковых автомобилей

17:00
506
Конструкция кузовов современных легковых автомобилей

В первом случае на жесткое основание – раму – крепятся двигатель, трансмиссия, подвеска и сам кузов. Кузов, таким образом, не является несущим. Второй тип кузова – безрамный – называют также модульным. Он состоит из коробчатых жестких конструкций, которые, в свою очередь, собираются из тонких листов металла (0,5–2 мм) с помощью различных видов сварки. Соединение таких элементов с помощью той же сварки дает несущий кузов. Места крепления двигателя, подвески и других тяжелых агрегатов могут усиливаться наваркой пластин, ребер и штамповкой объемных профилей на самом листе.

Для перехода от рамных кузовов к несущим есть несколько причин. Среди них и облегчение конструкции в целом. Немаловажной причиной является необходимость повысить безопасность пассажиров на случай столкновения. Коробчатые конструкции кузова, прежде чем передать энергию удара дальше, сминаются сами и поглощают существенную часть этой энергии. Таким образом, безопасность пассажиров значительно повышается. Для обеспечения пассажирам «пространства выживания» внутри салона усиливают пол кабины, центральные стойки, устанавливают продольные штанги в дверях.

Вид кузова современного легкового автомобиля представлен на рисунке 1. На рисунке видны элементы усиления в полу кабины, в зоне крепления двигателя и передней подвески, а также в зоне багажника и задней подвески.

Рисунок 1 — Основа кузова легкового автомобиля

Существует общепризнанная концепция легкового автомобиля, в котором каждая встроенная силовым замыканием деталь конструкции имеет свою долю в передаче статических и динамических сил. Расположение силовых линий по корпусу кузова схематично изображено на рисунке 2.

Для ремонтника, прежде всего, представляет интерес отделение несущих деталей от кузова и определение несущих функций отдельных деталей внутри общей несущей конструкции.

Рисунок 2 — Расположение силовых линий по корпусу кузова

Всем известно, что стойки и опоры при этом принимают на себя основную нагрузку. Такое положение должно быть, естественно, восстановлено после ремонта. Это должно учитываться, когда какие-то детали изымаются из кузова, а затем заменяются новыми. Если заводские детали автомобиля почти не имеют напряжений, то и после ремонта в них не должно быть пиков напряженности. Но это возможно только в том случае, если вид и способ соединения при ремонте выбраны таким образом, что вновь возможен силовой поток, соответствующий состоянию первоначальному (рис. 2). Путем продуманно расположенных сварных соединений можно предотвратить опасность местного перенапряжения.

Для оценки отдельных листовых деталей кузова были использованы разработки и классификации Союза работников технического надзора Баварии. Эти разработки на сегодняшний день, вероятно, точнее всего характеризуют функции отдельных деталей и узлов кузова.

Прежде всего следует выяснить, в каких точках или на каких участках кузова происходит ввод или передача статических и динамических сил. При этом исходят от точек крепления подвесок колес и осей, рессор и амортизаторов, двигателя, педального и рулевого механизмов. Далее следует назвать точки крепления сиденья водителя и опорные системы автомобиля. Эти точки ввода сил соединены между собой профилями таким образом, что возможна соответствующая нагрузкам передача сил при всех условиях эксплуатации.

Согласно классификации Союза работников технического надзора отдельные узлы кузова подразделяются на первичные и вторичные несущие и на детали облицовки.

К первичным несущим относятся: главные лонжероны, основной поперечный лонжерон, крепление амортизационной стойки, крепление амортизатора, крепление оси, распорка тяг, крепление рулевого управления, крепление мотора, крепление коробки передач, крепление главного тормозного цилиндра, опора тормозной педали, стойка двери, крепление дверного замка, дверные шарниры, база крепления буксирного устройства.

Вторичными несущими считаются: малые поперечные лонжероны, диагональные полые распорки, лист надколесного кожуха, лист пола (включая полые профили), крыло (если оно сварено с конструкцией), приваренные листовые детали, несущие осветительную арматуру.

К деталям облицовки относятся:крыло на болтах, капот, крышка багажника, пол багажника (если он не является частью базы буксирного узла), передняя панель, задняя панель.

Несмотря на частичные различия современных легковых автомобилей, конструктивная концепция несущих кузовов у них глубоко сходная.

У конструкций, преимущественно используемых сегодня, часть пола передает основную долю входящих сил. Наряду с этим в передаче сил участвуют передние стойки, средние дверные стойки и задние стойки.

Несущая конструкция пассажирского салона вместе с частью пола между креплениями осей образует главный несущий участок, изображенный на рисунке 3.

Рисунок 3 — Главный несущий участок

Все прочие приваренные и облицовочные детали образуют изображенный на рисунке 4 вспомогательный несущий участок.

И, наконец, кузов комплектуется облицовочными или винтовыми деталями, как показано на рисунке 5. Количество этих деталей в новых моделях постоянно увеличивается.

Рисунок 4 — Вспомогательный несущий участок
Рисунок 5 — Облицовочные детали кузова

При конструировании структуры передней части автомобиля должны быть решены проблемы, которые, на первый взгляд, кажутся взаимоисключающими.

Здесь расположены передняя ось и, как правило, мотор со всеми возникающими при эксплуатации нагрузками. Это означает, что должна быть обеспечена совершенно определенная стабильность и жесткость при любых ситуациях.

С другой стороны, при столкновении максимальная энергия де- формации должна быть принята и погашена именно этой частью автомобиля.

Значит стабилизирующе действующая при езде стойка не должна передавать дальше силу удара. Деформация должна заканчиваться перед точками крепления передней оси и мотора.

Для погашения очень больших сил конструкция должна быть такой, чтобы мотор мог передвигаться вниз под безопасную кабину (пассажирский салон). Передние шарнирные стойки должны как можно дольше оставаться в своем положении, чтобы двери не раскрывались и не заклинивались. Рамки ветрового стекла не должны смещаться вниз или как-то менять свое положение, иначе стекло выпадет из оправы и станет дополнительным источником опасности.

Лонжерон мотора

Доминирующей энергопоглощающей деталью в передней части является лонжерон мотора. С помощью энергобаланса, полученного на двухобъемной модели, фирма «Порше» установила, что кинетическая энергия при лобовом ударе на скорости 50 км/ч распределяется следующим образом: 79% – структурой передней части, 12% – двигателем и 9% – щитком передка. Принятая энергия в передней части распределяется так: 72% – на лонжерон, 23% – на колесные ниши и 5% – на крылья. Поэтому конструктор, если он хочет получить хорошие характеристики деформации в передней части автомобиля, должен обратить основное внимание на конструкцию лонжерона мотора.

Существенными являются два механизма деформации: изгиб и сминаемость. Приваренные к лонжерону двигателя колесные ниши могут препятствовать изгибу, но не предотвратят смятие. Поскольку при смятии возможен прием значительно более высокой энергии, это обстоятельство целесообразно учесть конструктору в целях упрощения ремонта в случае надобности.

Исследования показали, что скорость участвующих в столкновении автомобилей в городе находится в основном в пределах от 20 до 30 км/ч.

Если при аварии на такой скорости вся энергия удара преобразуется в первой трети лонжерона мотора, т.е. до подвески мотора, значит автомобиль оценивается как имеющий хорошие характеристики деформации. Поэтому к очень жесткому лонжерону мотора с этой целью придают какой-то формообразующий элемент, чтобы смятие происходило в передней части лонжерона, а не в другом месте. Например, фирме БМВ удалось энергию удара перед вводом в главный лонжерон отвести в амортизатор, а затем в деформационный элемент (ударный ящик). То, что относится к лонжерону мотора в передней части, может быть в определенном смысле отнесено и к усиливающим элементам в задней части автомобиля. Однако здесь переплетение сегментов кузова более многообразно и поэтому труднее найти хорошее решение.

Безопасность кузова легкового автомобиля

Для повышения безопасности использования автомобиля предназначены конструкции кузовов с зонами контролируемой деформации, т.е. кузова заранее имеют запрограммированную деформацию элементов кузова в зависимости от интенсивности аварийного столкновения.

Проблема безопасности автомобиля охватывает три области: активную безопасность, пассивную и безопасность при несчастном случае.

К области активной безопасности относится все, что снижает вероятность возникновения ДТП. Требования к автомобилю в части его активной безопасности приводят к изменению конструкции кузова.

Положения таких элементов активной безопасности по отношению к сиденью водителя, как указатели, переключатели, рычаги, зеркала и даже пепельница и прикуриватель, должны отвечать требованиям эргономики. Кроме того, хорошо спроектированное сиденье обеспечивает вентиляцию, надлежащее положение тела, правильное кровообращение и свободу движения рук, уменьшает усталость водителя. Эффективность светотехнических устройств, стеклоочистителей и системы обдува стекол, зеркал, противосолнечных козырьков и других элементов, улучшающих обзорность, также ведет к снижению появления аварийной ситуации.

Пассивная безопасность основана на уменьшении для водителя и пассажиров тяжести последствий при ДТП. К элементам конструкции кузова, обеспечивающим пассивную безопасность кузова легкового автомобиля, относятся: переменная жесткость корпуса кузова; элементы интерьера кузова; конструктивное исполнение бамперов и буферов.

Требования пассивной безопасности кузова предусматривают наличие жесткого пассажирского салона, а его передняя и 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.

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.

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 жесткое постоянное препятствие при скорости автомобиля до 8 км/ч.

Непосредственными причинами травмирования водителя и пассажиров являются их взаимодействия с элементами кузова в момент удара автомобиля при аварии. На основании анализа травм людей, полученных в результате ДТП, следует, что наиболее опасными элементами кузова являются панель приборов, стойки боковины кузова, рулевое колесо и колонка, надоконная передняя балка, ветровое стекло и т.д. Кроме того, при неиспользовании ремней безопасности возможны травмы людей различной тяжести от выпадения их из автомобиля.

Создание безопасной конструкции кузова приводит к увеличению его массы и, следовательно, увеличению расхода топлива. Поэтому при проектировании конструкторы стремятся достичь максимальной степени пассивной безопасности при оптимальных эксплуатационных параметрах автомобиля.

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.

Безопасность при несчастном случае характеризуют факторы, облегчающие положение водителя и пассажиров, которые уже попали в аварию. Эти факторы сводятся к противопожарным и медицинским требованиям.

Противопожарные требования определяют положение топливного бака по отношению к приборам электрооборудования и выпускной системе двигателя.

Для оказания медицинской помощи должно быть предусмотрено место для аптечки, защищенное от солнца и легкодоступное даже при повреждении кузова.

Материалы в конструкции кузовов

Обычно в серийном производстве легковых автомобилей используются листы глубокой вытяжки толщиной от 0,55 до 1,5 мм. Листы меньшей толщины применяются для изготовления внешних деталей кузова, а большей – для деталей несущей части.

С помощью компьютерных программ конструктор имеет возможность точно смоделировать возникающие соотношения нагрузок и определить оптимальную толщину листа. Преимущества понятны: сокращаются производственные расходы, снижается собственный вес автомобиля, и, наконец, кузов, сконструированный с учетом возникающих сил и нагрузок, повышает степень безопасности пассажиров.

К необходимой толщине листов, определяемой действующими нагрузками (для внешних деталей от 0,55 до 0,88 мм, а для деталей рамы и стоек – от 1,25 до 1,5 мм), у оцинкованных листов добавляется еще и толщина цинкового слоя от 10 до 20 мк.

Новейшие разработки связаны с созданием цельноалюминиевого кузова. Современная техника позволяет применять алюминиевые листы для передней и задней панелей, для облицовки дверей и т.п. Даже комплектный кузов может быть сегодня изготовлен из легкого металла.

Прогресс в технике материалов сделал возможным использование специальных термообработанных сплавов алюминия в несущих элементах автомобиля. Они характеризуются не только чрезвычайно высокой прочностью, но и очень высокой способностью энергопоглощения.

Сварка и клепка деталей в серийном производстве в настоящее время производятся на высоком качественном уровне.

Решающим для применения алюминия в кузовостроении является его малый удельный вес – 2,7 г/см3, что составляет около трети удельного веса стали, а также высокая устойчивость против коррозии благодаря образованию естественного окисного слоя. Большие преимущества дает высокая степень повторной обрабатываемости (75%) и низкая температура плавления (660 °С), особенно по сравнению с применением деталей из искусственных материалов. Несмотря на многие преимущества, не следует, однако, упускать из виду, что алюминий является «материалом высокой технологии», с которым следует обращаться с большой осторожностью и знанием дела.

В последнее время наблюдается активное применение искусственных материалов в автомобилестроении. Новые материалы и технологии производства делают возможным изготовление сложных и крупногабаритных деталей, например комплектов передней части автомобиля.

Доля искусственных материалов в общем весе легкового автомобиля составляет в среднем около 8%, а относительно объема материалов – даже 20%, причем налицо тенденция к увеличению. Однако в данном случае нам интересны только те детали, которые применяются для кузовостроения и могут быть экономично отремонтированы после повреждения.

Одно из главных преимуществ искусственных материалов – малый удельный вес – от 0,2 г/см3 у пенопластов до 1,5 г/см3 у стеклопластика. Кроме того, появляется большая свобода для выбора конфигурации узлов, для приспособления свойств материала к конкретным задачам, высокая антикоррозийность. Недостатки же носят, прежде всего, экологический характер – при производстве некоторых искусственных материалов применяются опасные растворители, которые позже могут попасть в окружающую среду. Вследствие различных свойств материалов и недостаточности обозначений характеристик регенерация возможна в очень ограниченном объеме, а при возгорании может образоваться большое количество высокотоксичных газов, например диоксинов.

В автомобилестроении применяются термопластики, реактопласты, эластомеры.

Комментарии

RSS
Нет комментариев. Ваш будет первым!