Несущий кузов автомобиля в массовом производстве – благо или неверное развитие отрасли?

При­вет­ствую Вас на бло­ге Kuzov.info!
В этой ста­тье пого­во­рим о несу­щем кузо­ве авто­мо­би­ля, о исто­рии появ­ле­ния, его харак­те­ри­сти­ках и устройстве.

Несу­щий кузов при­шёл на сме­ну рам­ной кон­струк­ции авто­мо­би­ля. Гру­бо гово­ря, он объ­еди­ня­ет раму и кузов в одно целое и име­ет допол­ни­тель­ные уси­ле­ния в необ­хо­ди­мых местах. Раму заме­ща­ют про­доль­ные (лон­же­ро­ны) и попе­реч­ные сило­вые элементы.

Неко­то­рые авто­мо­би­ли, такие как гру­зо­ви­ки и неко­то­рые вне­до­рож­ни­ки, по-преж­не­му име­ют рам­ную конструкцию.

Несу­щий кузов име­ет похо­жий прин­цип и дизайн, кото­рый года­ми исполь­зо­вал­ся в авиа­стро­е­нии ещё до появ­ле­ния его в автомобилях.

История появления несущей конструкции кузова

Пер­вая попыт­ка созда­ния несу­ще­го кузо­ва была пред­при­ня­та в 1922 году. Был создан авто­мо­биль Lancia Lambda. Он был без кры­ши и по кон­струк­ции боль­ше напо­ми­нал раму с встро­ен­ны­ми боко­вы­ми эле­мен­та­ми. Клю­че­вую роль в раз­ви­тии несу­ще­го кузо­ва съи­гра­ла аме­ри­кан­ская ком­па­ния Budd Company, кото­рая снаб­ди­ла обо­ру­до­ва­ни­ем для прес­сов­ки листо­вой ста­ли авто­про­из­во­ди­те­лей Dodge, Ford, Buick и Citroën. В 1930-ом году инже­нер из Австрии Joseph Ledwinka сов­мест­но с ком­па­ни­ей Budd создал про­то­тип несу­ще­го кузо­ва, кото­рый сра­зу запатентовал.

Несу­щий кузов авто­мо­би­ля Citroen Traction Avant

Ком­па­ния Citroen выпу­сти­ла пер­вый авто­мо­биль с несу­щим кузо­вом Citroen Traction Avant. Этот авто­мо­биль имел пол­но­цен­ный несу­щий кузов со все­ми сило­вы­ми эле­мен­та­ми, кото­рые при­ме­ня­ют­ся на совре­мен­ных авто­мо­би­лях. Как и при изго­тов­ле­нии совре­мен­ных несу­щих кузо­вов, для соеди­не­ния эле­мен­тов кузо­ва была при­ме­не­на кон­такт­ная свар­ка. Мас­со­вая про­дук­ция его была нача­та в 1934 году. В даль­ней­шем, такая кон­струк­ция кузо­ва посте­пен­но ста­ла заме­щать тра­ди­ци­он­ную рам­ную конструкцию.

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.

Характеристики несущего кузова

Кон­струк­ция кузо­ва сде­ла­на из ком­би­на­ции прес­со­ван­ных листо­вых пане­лей раз­ных форм, соеди­нён­ных в еди­ную кон­струк­цию при помо­щи точеч­ной кон­такт­ной свар­ки. Кузов полу­ча­ет­ся отно­си­тель­но лёг­ким и очень прочным.

Такой тип кон­струк­ции часто срав­ни­ва­ют со скор­лу­пой яйца. Если пытать­ся раз­да­вить яйцо, при­ла­гая уси­лие про­доль­но, с про­ти­во­по­лож­ных кон­цов, то это будет сде­лать не про­сто. Так полу­ча­ет­ся из-за того, что вся сила не кон­цен­три­ру­ет­ся в одном месте, а рас­се­и­ва­ет­ся по всей скор­лу­пе. Подоб­ным обра­зом функ­ци­о­ни­ру­ет несу­щий кузов. В рам­ных авто­мо­би­лях, кото­рые были до появ­ле­ния несу­щих кузо­вов, рама при­ни­ма­ла на себя все нагруз­ки, а кузов обес­пе­чи­вал толь­ко функ­ци­о­наль­ные нуж­ды. В несу­щем же кузо­ве сило­вые эле­мен­ты явля­ют­ся частью кузо­ва, кото­рый, в свою оче­редь, состо­ит из мно­же­ства пане­лей, при­ва­рен­ных друг к дру­гу и обра­зу­ю­щих еди­ную кон­струк­цию. Даже вкле­ен­ные стёк­ла авто­мо­би­ля (лобо­вое и зад­нее) вли­я­ют на общую жёст­кость. Таким обра­зом, нагруз­ка рас­пре­де­ля­ет­ся по все­му кузову.

Бла­го­да­ря отсут­ствию рамы, авто­про­из­во­ди­те­ли полу­чи­ли воз­мож­ность делать авто­мо­би­ли более ком­пакт­ным и лёг­ки­ми, а так­же появи­лась боль­шая сво­бо­да в дизайне.

Недо­стат­ка­ми несу­ще­го кузо­ва мож­но счи­тать шум и виб­ра­цию, кото­рая боль­ше пере­да­ёт­ся на кузов, чем на рам­ном авто­мо­би­ле. В совре­мен­ных авто­мо­би­лях эта про­бле­ма реша­ет­ся бла­го­да­ря при­ме­не­нию шумо-виб­ро изо­ли­ру­ю­щих материалов.

В несу­щих кузо­вах исполь­зу­ет­ся доста­точ­но тон­кий листо­вой металл, проч­ность кото­ро­го уве­ли­че­на бла­го­да­ря штам­по­ва­нию. Сило­вые эле­мен­ты сде­ла­ны из высо­ко­проч­ной ста­ли. В таких типах кузо­вов ржав­чи­на может вли­ять на струк­тур­ную жёст­кость кузо­ва и на без­опас­ность. Поэто­му анти­кор­ро­зи­он­ная защи­та, в осо­бен­но­сти струк­тур­ных эле­мен­тов, очень важна.

Несу­щий кузов даёт пре­иму­ще­ство более низ­ко­го цен­тра тяже­сти авто­мо­би­ля, уве­ли­чи­ва­ет­ся эко­но­мия и рей­тинг без­опас­но­сти. Бла­го­да­ря более низ­ко­му цен­тру тяже­сти улуч­ша­ет­ся устой­чи­вость и управ­ля­е­мость и умень­ша­ет­ся веро­ят­ность пере­во­ро­та автомобиля.

Неод­но­крат­но про­во­ди­лись краш-тесты с авто­мо­би­ля­ми, име­ю­щи­ми рам­ную кон­струк­цию и авто­мо­би­ля­ми с несу­щим кузо­вом. Авто­мо­би­ли с несу­щим кузо­вом пока­зы­ва­ют луч­шую без­опас­ность при фрон­таль­ном столк­но­ве­нии и при пере­во­ро­те, но немно­го худ­шую без­опас­ность при боко­вых столкновениях.

Рас­смот­рим кон­струк­цию несу­ще­го кузо­ва, раз­де­лив её на три части: перед­нюю, цен­траль­ную и заднюю.

Вывод

На автомобильном рынке сейчас гораздо больше моделей с несущим кузовом. Эта конструкция популярнее рамной, несмотря на очевидные недостатки. Главная причина, по которой безрамная конструкция пользуется популярностью – повышенная пассивная безопасность (сверхпрочная сталь, зоны запланированного сжатия).

Но даже если отбросить главную причину, во многих ситуациях несущий кузов действительно оказывается уместным решением. Подходит для массового производства, создания классических легковых автомобилей. Для быстрой, комфортной езды по городским дорогам. Не подходит для любителей бездорожья, для любителей премиум-класса (премиальные легковые авто создают на раме).

Конструкция передней части кузова

• Глав­ны­ми сило­вы­ми эле­мен­та­ми перед­ней части несу­ще­го кузо­ва явля­ют­ся лон­же­ро­ны. Это про­доль­ные полые эле­мен­ты, кре­пя­щи­е­ся бли­же к низу перед­ней части кузо­ва. Они явля­ют­ся самы­ми проч­ны­ми эле­мен­та­ми несу­ще­го кузо­ва авто­мо­би­ля. Они изго­тав­ли­ва­ют­ся из высо­ко­проч­ной ста­ли. Лон­же­ро­ны кре­пят­ся частич­но к щиту мотор­но­го отсе­ка и частич­но к низу перед­них брыз­го­ви­ков кузо­ва. Лон­же­ро­ны име­ют зоны запла­ни­ро­ван­но­го смя­тия при ава­ри­ях, что­бы гасить энер­гию при фрон­таль­ном ударе.

• Фар­ту­ки (брыз­го­ви­ки) перед­них кры­льев явля­ют­ся внут­рен­ни­ми пане­ля­ми, кото­рые рас­по­ла­га­ют­ся вокруг коле­са и защи­ща­ют от гря­зи. Они частич­но при­ва­ре­ны к лон­же­ро­нам. Брыз­го­ви­ки так­же добав­ля­ют струк­тур­ной жёст­ко­сти кузову.
• Верх­нее уси­ле­ние брыз­го­ви­ка явля­ет­ся струк­тур­ным эле­мен­том перед­ней части кузо­ва. На него при­кру­чи­ва­ют­ся перед­ние крылья.
• Чаш­ки кузо­ва – это уси­лен­ные эле­мен­ты кузо­ва, кото­рые удер­жи­ва­ют верх­нюю часть сто­ек под­вес­ки. Они сфор­ми­ро­ва­ны как часть брыз­го­ви­ков кузова.
• Рам­ка ради­а­то­ра (под­держ­ка ради­а­то­ра, под­ка­пот­ная рам­ка) – это струк­тур­ный эле­мент, рас­по­ло­жен­ный в перед­ней части кузо­ва и удер­жи­ва­ет ради­а­тор систе­мы охла­жде­ния, замок капо­та и дру­гие смеж­ные эле­мен­ты авто­мо­би­ля. Рам­ка ради­а­то­ра кре­пит­ся к лон­же­ро­нам и брыз­го­ви­кам. Она при­да­ёт жёст­кость перед­ней части кузо­ва, как попе­реч­ный струк­тур­ный элемент.
• Щит мотор­но­го отсе­ка (или перед­няя пере­го­род­ка) – это панель, деля­щая перед­нюю сек­цию кузо­ва и цен­траль­ную сек­цию сало­на. Щит мотор­но­го отсе­ка помо­га­ет защи­тить води­те­ля и пас­са­жи­ров при воз­ник­но­ве­нии пожа­ра в мотор­ном отсе­ки. За щитом идёт сило­вая кон­струк­ция, защи­ща­ю­щая води­те­ля и пас­са­жи­ров в момент аварии.
• Перед­ние кры­лья рас­по­ла­га­ют­ся рядом с перед­ни­ми дверь­ми и дохо­дят до перед­не­го бам­пе­ра. Они закры­ва­ют перед­нюю под­вес­ку, и брыз­го­ви­ки перед­ней части кузо­ва. На совре­мен­ных маши­нах кры­лья, обыч­но, при­кру­чи­ва­ют­ся к кузо­ву болтами.
• Уси­ли­тель бам­пе­ра при­кру­чи­ва­ет­ся к перед­ней части лон­же­ро­нов и пред­на­зна­чен для гаше­ния уда­ра при аварии.

Центральная часть несущего кузова

• Дни­ще явля­ет­ся глав­ной струк­тур­ной сек­ци­ей ниж­ней части сало­на кузо­ва. Часто, дни­ще штам­пу­ет­ся как одна боль­шая цель­ная панель. С ниж­ней сто­ро­ны дни­ща кузо­ва про­хо­дят про­доль­ные и попе­реч­ные сило­вые эле­мен­ты. Места креп­ле­ния сиде­ний уси­ле­ны и так­же при­да­ют жёст­кость днищу.

Срез пане­ли при­бо­ров пока­зы­ва­ет уси­ле­ние, уве­ли­чи­ва­ю­щее без­опас­ность сало­на при аварии.

• Цен­траль­ная часть кузо­ва (салон) окру­же­на уси­лен­ны­ми пане­ля­ми для без­опас­но­сти води­те­ля и пас­са­жи­ров. Боко­вая цен­траль­ная стой­ка име­ет внут­ри уси­ле­ние, две­ри име­ют уси­ли­те­ли внут­ри и сами явля­ют­ся доста­точ­но проч­ной кон­струк­ци­ей, за пане­лью при­бо­ров нахо­дит­ся уси­лен­ная кон­струк­ция, кры­ша обыч­но име­ет уси­лен­ную попе­ре­чи­ну, сбе­ре­га­ю­щую салон при перевороте.

• Стой­ки кузо­ва – это вер­ти­каль­ные эле­мен­ты, кото­рые удер­жи­ва­ют кон­струк­цию кры­ши и защи­ща­ют салон кузо­ва в слу­чае пере­во­ро­та авто­мо­би­ля. Стой­ки кузо­ва состо­ят из внеш­них лице­вых частей и внут­рен­не­го уси­ле­ния из высо­ко­проч­ной ста­ли. В кон­струк­ции кузо­ва типа «седан» име­ет­ся 3 типа сто­ек кузо­ва (перед­ние, сред­ние или боко­вые и зад­ние стой­ки, пере­хо­дя­щие в зад­ние кры­лья). Перед­ние стой­ки кузо­ва пере­хо­дят в рам­ку лобо­во­го стек­ла. Цен­траль­ные стой­ки удер­жи­ва­ют кон­струк­цию кры­ши меж­ду перед­ни­ми и зад­ни­ми две­ря­ми. Они помо­га­ют уси­лить кры­шу и обес­пе­чи­ва­ют места креп­ле­ния шар­ни­ров зад­них две­рей. Сред­ние стой­ки кузо­ва рас­пре­де­ля­ют нагруз­ки с ниж­ней части кузо­ва к верх­ней и предот­вра­ща­ют сжа­тие боко­вых частей при боко­вых уда­рах, защи­щая салон кузо­ва. Зад­ние стой­ки кузо­ва удер­жи­ва­ют зад­нюю часть кры­ши и пере­хо­дят в зад­ние кры­лья. Они, так­же, явля­ют­ся поса­доч­ным местом для зад­не­го стекла.
• Боко­вая панель явля­ет­ся общей кон­струк­ци­ей, в кото­рой перед­ний и зад­ний про­ём две­рей сде­лан одним эле­мен­том, без сва­ри­ва­ния частей. Такое устрой­ство даёт пре­иму­ще­ство в мень­шей под­вер­жен­но­сти коррозии.
• Поро­ги – это уси­лен­ные кон­струк­ции, кото­рые нахо­дят­ся в ниж­ней части двер­ных про­ёмов. Они соеди­ня­ют­ся кон­такт­ной свар­кой с флан­ца­ми дни­ща. Внут­ри лице­вой части поро­гов рас­по­ло­же­но уси­ле­ние. Поро­ги удер­жи­ва­ют ниж­нюю часть сред­них сто­ек и слу­жат боко­вой под­держ­кой для днища.
• Зад­няя «пол­ка» — это панель, рас­по­ло­жен­ная за зад­ни­ми сиде­ни­я­ми, под зад­ним стеклом.
• Зад­няя пере­го­род­ка раз­де­ля­ет салон кузо­ва и багаж­ное отде­ле­ние (на седанах).
• Две­ри име­ют состав­ную кон­струк­цию. Они состо­ят из внеш­ней пане­ли, внут­рен­не­го уси­ли­те­ля и части, на кото­рой кре­пят­ся стек­ло­подъ­ём­ни­ки и дру­гие эле­мен­ты две­рей, вклю­чая обшивку.

• Панель кры­ши закры­ва­ет цен­траль­ную часть кузо­ва и удер­жи­ва­ет­ся на стой­ках кузо­ва. Панель кры­ши явля­ет­ся одной из самых боль­ших пане­лей кузо­ва и, в то же вре­мя, пред­став­ля­ет собой очень про­стую кон­струк­цию. Жёст­кость кры­ше при­да­ёт её фор­ма, а так­же уси­ли­те­ли, кото­рые рас­по­ла­га­ют­ся с обрат­ной сто­ро­ны и при­кле­и­ва­ют­ся к ней. Кры­ша, пере­хо­дя­щая в зад­нее кры­ло при­ва­ри­ва­ет­ся при помо­щи лату­ни или крем­ни­стой брон­зы. Этот тип соеди­не­ния поз­во­ля­ет делать длин­ный ров­ный шов, даёт эла­стич­ность и хоро­шо про­ти­во­сто­ит нагруз­кам и виб­ра­ци­ям, воз­дей­ству­ю­щим на это место кузо­ва. К тому же, такое соеди­не­ние мень­ше под­вер­же­но коррозии.

Рама

Бывает трёх видов:

• Лонжеронная;
• Хребтовая;
• Пространственная.

Внутри этих видов существуют свои подвиды, а так же есть смешанные виды. В рамках этой статьи подробнее остановимся на классической лонжеронной раме:

Виды лонжеронных рам. Сегодня мы поговорим только о первом. Фото с сайта https://techautoport.ru

Классическая лонжеронная рама состоит из двух продольных лонжеронов и поперечных балок. Такой тип ещё нередко называют «лестничным» видом рамы. В настоящее время данный вид рамы активно применяется в грузовиках и внедорожниках.

Задняя часть кузова

• Зад­ние лон­же­ро­ны явля­ют­ся сило­вы­ми про­доль­ны­ми эле­мен­та­ми зад­ней части кузо­ва. Они изго­тав­ли­ва­ют­ся из высо­ко­проч­ной ста­ли. Они удер­жи­ва­ют пол багаж­ни­ка и при­ни­ма­ют на себя всю нагруз­ку при пере­воз­ке багажа.

Панель пола багаж­ни­ка с поло­стью для запас­но­го колеса

• Пол багаж­ни­ка пред­став­ля­ет собой штам­по­ван­ный лист, кото­рые часто име­ет вогну­тую фор­му и обра­зу­ет место под запас­ное коле­со. Пол при­ва­рен к зад­ним лон­же­ро­нам, зад­ним брыз­го­ви­кам (или аркам) и зад­ней пане­ли кузова.
• Зад­ние кры­лья пред­став­ля­ют собой несъём­ные пане­ли, при­ва­рен­ные к кузо­ву и явля­ют­ся частью струк­ту­ры зад­ней части кузова.
• Зад­ние чаш­ки кузо­ва удер­жи­ва­ют верх­нюю часть зад­них стоек.
• Зад­ние арки кузо­ва кре­пят­ся к зад­ним крыльям.

Зоны запланированного сжатия (смятия)

Это зоны кузо­ва, проч­ность кото­рых спе­ци­аль­но ослаб­ле­на при изго­тов­ле­нии авто­мо­би­ля. Это сде­ла­но, что­бы, сжи­ма­ясь в этих местах, эле­мен­ты кузо­ва гаси­ли энер­гию уда­ра. Зоны запла­ни­ро­ван­но­го смя­тия обес­пе­чи­ва­ют опре­де­лён­ный кон­троль вто­ро­сте­пен­ных повре­жде­ний и уве­ли­чи­ва­ют без­опас­ность води­те­ля и пас­са­жи­ров. Эле­мен­ты кузо­ва с таки­ми ослаб­лен­ны­ми зона­ми сми­на­ют­ся более пред­ска­зу­е­мо, чем без них. Перед­ние и зад­ние лон­же­ро­ны име­ют зоны запла­ни­ро­ван­но­го сжа­тия, в кото­рых они сги­на­ют­ся при ава­рии, гася энер­гию уда­ра. Капот, так­же, име­ет такие зоны.

Несу­щий кузов так спро­ек­ти­ро­ван, что перед­няя и зад­няя часть сми­на­ет­ся отно­си­тель­но лег­ко, в то вре­мя как сред­няя часть, где нахо­дит­ся води­тель с пас­са­жи­ра­ми, оста­ёт­ся целым.

Типы стали в конструкции несущего кузова

Сталь по-преж­не­му самый часто исполь­зу­е­мый мате­ри­ал при изго­тов­ле­нии раз­лич­ных видов транс­пор­та. При изго­тов­ле­нии сило­вых эле­мен­тов несу­ще­го кузо­ва при­ме­ня­ет­ся высо­ко­проч­ная сталь, высо­ко­проч­ная низ­ко­ле­ги­ро­ван­ная сталь и сверх­проч­ная сталь. Пре­дел проч­но­сти такой ста­ли в 2–4 раза боль­ше обыч­ной, низ­ко­уг­ле­ро­ди­стой ста­ли. Штам­по­ва­ние ещё боль­ше уси­ли­ва­ет проч­ность пане­лей. При­ме­не­ние высо­ко­проч­ной ста­ли, поз­во­ли­ло авто­про­из­во­ди­те­лям умень­шить тол­щи­ну листо­во­го метал­ла при изго­тов­ле­нии струк­тур­ных эле­мен­тов без ухуд­ше­ния проч­но­сти кузова.

На неко­то­рых совре­мен­ных авто­мо­би­лях струк­тур­ные эле­мен­ты кузо­ва могут быть сде­ла­ны, из ком­би­на­ции раз­ных типов ста­ли. Лазе­ром сва­ри­ва­ет­ся сталь раз­ной тол­щи­ны и проч­но­сти. Полу­ча­ет­ся одна цель­ная панель.

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

Пенный наполнитель внутри закрытых конструкций несущего кузова

Рас­по­ло­же­ние пен­но­го напол­ни­те­ля внут­ри закры­тых кон­струк­ций кузо­ва может варьи­ро­вать­ся у раз­ных авто­мо­би­лей. Пена может рас­по­ла­гать­ся в поро­гах, стой­ках кузо­ва, лон­же­ро­нах. Пен­ный напол­ни­тель исполь­зу­ет­ся для умень­ше­ния шума, виб­ра­ции и уве­ли­че­ния проч­но­сти кузова.

Неже­ла­тель­но сва­ри­вать пане­ли рядом с местом, где рас­по­ло­жен пен­ный напол­ни­тель. Если есть такая необ­хо­ди­мость, то напол­ни­тель нуж­но сна­ча­ла уда­лить, а потом вос­ста­но­вить по завер­ше­нию ремонта.

Пен­ный напол­ни­тель не пла­вит­ся и не горит, если резать «бол­гар­кой» часть кузо­ва рядом с ним.

Для заме­ны спе­ци­аль­но­го пен­но­го напол­ни­те­ля не реко­мен­ду­ет­ся исполь­зо­вать стро­и­тель­ную пену.