Конструктивные особенности кузова легкового автомобиля

Конструкция кузова автомобиля должна отвечать многим требованиям. С одной стороны, необходимо снижать его массу и улучшать аэродинамические качества, с другой стороны все большее значения приобретают факторы пассивной безопасности автомобиля. Чтобы удовлетворить противоречивые требования используются следующие направления совершенствования конструкции:

-использование алюминиевых и магниевых сплавов;

-применение высокопрочного листового материала;

-оптимизация толщины панелей;

-новые технологии соединения деталей;

-достижение, по возможности, наименьших зазоров в соединениях.

Общая конструкция кузова легкового автомобиля показана на рис. 2.39.

1 – подоконная балка; 2 – передняя балка крыши; 3 – лонжерон крыши; 4 – задняя балка крыши; 5 – задняя стойка кузова; 6 – задняя панель; 7 – пол в задней части кузова; 8 – задний лонжерон; 9 – средняя стойка кузова; 10 – поперечина под задним сиденьем; 11 –передняя стойка; 12 – поперечина под сиденьем водителя; 13 – порог; 14 – надколесная ниша; 15 – поперечная балка опор двигателя; 16 – передний лонжерон; 17 – поперечина передняя; 18 — поперечина радиатора

Для выдерживания внешних нагрузок в легковых автомобилях используется преимущественно несущие кузова. Несущий кузов достаточно легкий, однако благодаря целостной конструкции обладает значительной жесткостью на кручение и на изгиб. Он представляет собой сочетание тонких стальных штампованных листов различной формы, соединенных вместе точечной сваркой.

Шумы и вибрации от силового привода и от шасси могут легко передаваться на несущий кузов, который выступает в роли акустической камеры и усиливает их. Поэтому при ремонте автомобилей, поврежденных при столкновении, следует уделять особое внимание шумо- и виброизоляции.

Так как в конструкции широко используются стальные листы, необходимо принимать меры по защите от коррозии, особенно в нижней части кузова. Из-за большого количества разных штампованных панелей сложной формы, в случае повреждения несущий кузов требует больших трудозатрат при восстановлении.

Кузова легковых переднеприводных и заднеприводных автомобилей имеют конструктивные различия.

Кузова переднеприводных автомобилей (рис. 2.40). В кузовах переднеприводных автомобилей, благодаря отсутствию узлов, обеспечивающих привод задних колес, тоннель пола уменьшен до минимальных размеров, за счет чего остается больше места для пассажиров. Кроме того, задняя подвеска может иметь упрощенную конструкцию, что позволяет уменьшить массу автомобиля.

Общая масса автомобиля уменьшена благодаря отсутствию узлов привода задней оси и за счет объединения коробки передач и дифференциала в единый узел.

Масса передней оси автомобилей с передним приводом больше, чем у автомобилей с задним приводом, и нагрузка на детали передней подвески и на шины также больше, так как передние колеса являются одновременно и ведущими, и управляемыми. Отсутствие элементов привода задней оси позволяет получить больше места для ног пассажиров. Так как топливный бак можно установить под днищем кузова посередине, объем багажного отделения можно увеличить и его пол можно сделать более ровным.

Однако из-за того, что двигатель, коробка передач с главной передачей, передняя подвеска и рулевое управление установлены спереди, в конструкции приходится принимать специальные меры, чтобы кузов был способен выдерживать повышенные нагрузки. Среди мер, предпринимаемых для увеличения прочности и жесткости кузова, можно назвать увеличенные области соединений или использование усиливающих элементов конструкции.

При фронтальном столкновении инертная масса двигателя с коробкой передач у переднеприводного автомобиля больше, чем у заднеприводного, за счет этого автомобиль более подвержен повреждениям.

Возможно несколько способов установки двигателя в переднеприводном автомобиле, в зависимости от размеров автомобиля. В компактных автомобилях вся масса двигателя приходится на лонжероны. В автомобилях средних размеров масса двигателя приходится на лонжероны и на центральную продольную балку. В автомобилях больших размеров масса двигателя приходится на подрамники и на брызговики крыльев.

Кузова заднеприводных автомобилей (рис. 2.41). В заднеприводных автомобилях имеется карданный вал и дифференциал задней оси, расположенные под полом, поэтому на тоннель пола отводится больше места, вследствие чего для пассажирского салона остается меньше пространства. В этих автомобилях более равномерное распределение массы между передней и задней осями, так как двигатель, коробка передач и дифференциал расположены отдельно друг от друга. В результате этого требуется меньшее усилие на рулевом колесе и создается меньшая нагрузка на переднюю подвеску и на шины передних колес, чем у переднеприводных автомобилей.

В настоящее время такие автомобили используются преимущественно для моделей больших размеров.

Несущий кузов, характерный для большинства легковых автомобилей, содержит полые элементы, изготовленные из лис­товой стали, на которых устанавлива­ются и крепятся сваркой кузовные па­нели. В зависимости от типа автомоби­ля, около 5000 сварных точек должны быть выполнены вдоль сварочных фланцев общей длиной 120…200 м. Ши­рина сварочного фланца составляет 10…18 мм. Другие части (передние крылья, двери, капот, крышка багажника) кре­пятся к опорным конструкциям кузова на болтах или с помощью точечной сварки. Существуют также каркасные и скелетные типы конструкций кузовов.

Кузов проектируется таким образом, чтобы выдерживать нагрузки во время движения и обеспечивать безопасность пассажиров в случае столкновения. Он должен сминаться и поглощать максимальное количество энергии в случае серьезного столкновения и сводить к минимуму вероятность получения травм пассажирами. Поэтому кузов проектируют таким образом, чтобы при столкновениях передняя и задняя части кузова относительно легко деформировались, поглощая энергию удара, и одновременно с этим были прочными, защищая пассажирский салон.

Безопасная конструкция кузова автомобиля разрабатывается исходя из следующих принципов:

Для поглощения энергии столкновения передняя и задняя части автомобиля должны быть деформируемыми;

Кузов, по сути, относится к элементу пассивной безопасности автомобиля, и должен выполнять некие требования, чтобы в случае ДТП максимально снизить вероятность травм или летальных исходов.

Можно выделить следующие требования к кузову современного автомобиля:

1. Передняя и задняя части автомобиля должны легко деформироваться, и при ДТП складываться в «гармошку».

2. Для выживания пассажиров каркас салона автомобиля должен иметь максимальную жесткость и прочность. Для этого используют прочные и особо прочные стали, а некоторые конструктивные элементы в зоне каркаса автомобиля изготовлены методом горячей штамповки. Такие элементы позволяют уменьшить массу автомобиля, а также увеличить жесткость автомобиля.

3. В случае лобового столкновения, двигатель должен перемещаться вниз от салона.

4. Зоны размещения ног в салоне водителя и пассажиров должны минимально изменяться в объеме и геометрии в случае ДТП.

5. Предусматривается установка контура безопасности для уменьшения деформации и придания жесткости конструкции салона в виде диагональных и продольных брусьев кузова: в дверях автомобиля, передней и задней панелей салона.

6. Применение высокопрочных материалов для изготовления стоек автомобиля обеспечивающих минимальную вероятность деформации крыши и днища салона, а также каркаса дверей.

7. Защита топливной системы от повреждения должна обеспечиваться жесткой геометрией подвески автомобиля и рациональным расположением топливного бака.

8. С целью смягчения удара при столкновении с пешеходом или другим объектом использовать эластичные защитные элементы на переднем бампере.

Рассмотрим основные конструкторские решения, которые применяются для обеспечения безопасных свойств кузова.

Жесткая конструкция салона кузова — основа безопасности при аварии или ДТП. Для достижения высокой прочности кузова используются чрезвычайно прочные материалы, особенно в пассажирском пространстве, где допускаются только минимальные деформации.

Передняя и задняя части автомобиля обеспечивают максимальное поглощение энергии во время аварии. Специальные опоры двигателя не допускают его перемещения в салон. Деформация передней и задней части автомобиля обеспечивается путем продольного складывания, т.н. «гармошки». Для этого коробчатые профили, из которых изготавливается кузов, имеют углубления и выступы в определенных расчетных местах — точках концентрации напряжений.

При фронтальном столкновении особое внимание уделяется минимизации смещения элементов конструкции автомобиля в пространство для ног водителя и пассажира.

Требования к прочности кузова при ударе сзади складываются из жёсткости каркаса салона и деформируемости задней части кузова. Защита топливной системы от удара сзади обеспечивается геометрией задней подвески и расположением топливного бака.

При боковом столкновении важнейшими конструктивными элементами, воспринимающими основную энергию бокового удара, являются средняя стойка и двери. При их изготовлении используются сверхвысокопрочные материалы. Центральным звеном системы является средняя стойка, которая переносит возникающие силы на порог и каркас крыши. Двери, усиленные диагональными брусьями безопасности, также гасят чрезмерную энергию столкновения. Таким образом, при боковом столкновении достигается невысокая скорость смятия и минимальное смещение конструктивных элементов внутрь салона.

При расчете передней части автомобиля учитываются дополнительные силы инерции и жесткость таких элементов, как двигатель и колеса.

Первоначальной целью конструкторов является проектирование такого авто­мобиля, чтобы его внешняя форма спо­собствовала минимизации последствий основных видов ДТП (столкновения, на­езды, и повреждение самого транспорт­ного средства).

Наиболее тяжелым ранениям подверга­ются пешеходы, которые наталкиваются на переднюю часть автомобиля. Послед­ствия столкновения с участием легко­вого автомобиля могут быть уменьшены лишь конструктивными мерами, включают, например, следующие:

• Убираемые фары;
• Спрятанные заподлицо стеклоочисти­тели;
• Заделанные заподлицо с панелями сточные желоба;
• Утопленные дверные ручки.

Определяющими факторами обеспече­ния безопасности пассажиров являются:

• Деформационные характеристики кузо­ва автомобиля;
• Длина пассажирского отсека, объем пространства для выживания во время и после возникновения столкновения;
• Удерживающие системы;
• Зоны возможного столкновения;
• Система рулевого управления;
• Извлечение пользователей;
• Противопожарная защита.

Строение кузова обеспечивает получаемые нагрузки на тело человека, появляющиеся в результате резкого замедления движения автомобиля при ДТП и помогает сохранить пространство пассажирского салона в приемлемых пределах, после деформации кузова.

Когда тяжесть аварии велика, то есть вероятность того, что двигатель и (или) другие силовые агрегаты автомобиля могут проникнуть в салон автомобиля. Чтобы избежать этого салон окружают особой «решёткой безопасности», которая помогает достичь наибольшей защиты водителя и пассажиров в подобных случаях. Такие же элементы (рёбра, трубы и брусья) жесткости можно найти и в других элементах автомобиля, например, в дверях (защита на случай боковых столкновений). Области погашения энергии также присутствуют в кузове.

Как правило, при тяжёлой аварии автомобиль резко и неожиданно замедляется, вплоть до полной остановки. В результате этого тела водителя и пассажиров испытывают колоссальные перегрузки, и в некоторых случаях летальный исход неизбежен. Это означает, что жизненно важно найти способ, который помог бы уменьшить нагрузки на тело человека. Одним из вариантов решения этой задачи является проектирование областей разрушения, которые могли бы снижать энергию столкновения, в передней и задней части кузова автомобиля. При этом разрушение автомобиля будет более сильным, так как кузов возьмёт на себя значительную часть энергии удара, но зато пассажиры останутся целыми (обратный эффект достигается при авариях старых автомобилей, когда на машине были лёгкие царапины, а вот пассажиров приходилось вести в реанимацию).

С точки зрения пассивной безопасности кузов современного автомобиля состоит из двух элементов: высокопрочный салон; зоны программируемой деформации для гашения энергии удара:

— лобового;

— бокового;

— сзади;

— при опрокидывании;

— при столкновении с пешеходом для его защиты.

Конструкция современного кузова автомобиля предполагает, что при аварии определённые части кузова деформируются по отдельности.

Для защиты от ударов на легковых автомобилях имеются три различные области, которые в случае аварии должны принимать удар на себя. Верхней, средней и нижней поверхностями, принимающими удар на себя, являются, соответственно, крыша, боковая часть и днище автомобиля. Целью всех мер по защите от удара является минимизация деформации кузова, и, следовательно, минимизация риска травматизма пассажиров при ударе. Это достигается за счет того, что возникающие при ударе силы целенаправленно действуют на конкретный компонент структуры кузова (рис. 2.42). Таким образом, снижается коэффициент деформации деталей, на которые приходится удар, т.к. возникающие при этом силы распределяются по большей площади.

Для снижения сил замедления, которым подвергаются водитель и пассажиры, для мягкого поглощения энергии необходимы длинные участки деформирования 1,3 (рис. 2.43, а). При наиболее частом, лобовом, столкновении длина этих участков ограничена мостами и двигателем. При боковом ударе, втором по частоте виде столкновения, большое значение имеет прочность поперечин 4 под салоном, крепления и каркаса сидений, так как кузов имеет по бокам очень малые отрезки пути для деформации. Точно рассчитанная передача сил через прочные лонжероны – важнейшее условие несминаемости салона. Защитная балка (рис. 2.43, б) служит для упорядоченной передачи энергии удара, а наполнитель — для дополнительной защиты при боковом ударе

1,3 – лонжерон; 2 – передняя поперечина; 4 – поперечина под салоном; 5 – элемент усиления шахты двери; 6 – заполнитель; 7 – защитная балка; а – передняя часть кузова; б – задняя часть кузова

При лобовом ударе в первую очередь нагрузку воспринимает бампер и
первая поперечина рамы или (у легковых автомобилей) силовой структуры (рис. 2.44). Задача поперечины – распределить энергию удара на два лонжерона и далее на силовой каркас салона (такая задача не стоит при столкновении со 100%-м перекрытием). Если этого не сделать, то силовой каркас салона концентрированный удар не выдержит, и деформация проникнет в салон, что недопустимо.

Volkswagen Golf (а) и Audi Q7 (б):1 – поперечина; 2 – крашбокс; 3 – лонжерон

Однако поперечина не может работать без крашбоксов, в задачи которых входит гашение энергии слабого удара, а при сильном ударе – дать возможность поперечине перенаправить энергию на второй крашбокс. Поперечина начинает работать (передавать нагрузку на другой лонжерон), если она повернулась в точке сопряжения поперечина-крашбокс. Поперечина начинает работать (передавать нагрузку на другой лонжерон), если она повернулась в точке сопряжения поперечина-крашбокс. Тогда средняя часть поперечины оказывается ближе к наружной поверхности удара, что заставляет поперечину выровняться, то есть нагрузить второй крашбокс. Таким образом, два крашбокса и поперечина вместе выполняют функцию перераспределителя энергии с одного лонжерона на два.

Крашбоксы – это заменяемые (при ремонте) конструктивные элементы
силовой структуры кузова или рамы автомобиля, предназначенные для поглощения энергии удара, направленной вдоль оси элемента, путем множественной деформации в заранее предусмотренной последовательности (программируемая зона деформации). Основным конструктивным решением, позволяющим крашбоксам поглощать значительную часть энергии удара, чаще всего является ступенчатое изменение размеров его сечения (рис. 2.45). Место изменения сечения снижает устойчивость элемента (с точки зрения устойчивости стержня от продольной нагрузки) и в этом месте образуется складка, размеры которой по мере действия нагрузки постепенно нарастают, деформируются все новые и новые участки крашбокса (рис. 2.46).

а) Volkswagen Golf V, б) Volkswagen Tiguan; в) Mazda 2, г) Volvo S40

При потере устойчивости нарастающей деформации подвергается один
участок конструктивного элемента – он ломается (складывается). Но ступенчатые конструктивные элементы снижают жесткость элемента как балки и поэтому не применяются в конструкции лонжеронов. Несколько повысить жесткость позволяет разнесение ступеней на смежных плоскостях (см. рис. 2.45, в). Наиболее эффективным конструктивным решением, обеспечивающем приемлемую жесткость «балки» и достаточную энергоемкость, являются заломы на ребрах тонкостенной балки (см. рис. 2.46, а). При такой конструкции крашбокса на узкой плоскости образуется складка внутрь, а на широкой – наружу. Этот крашбокс сохраняет жесткость вплоть до начала образования складок.

Для повышения жесткости и способности поглощать энергию удара кузов автомобиля изготавливается из деталей, имеющих различную форму сечения. При столкновении напряжения концентрируются в зоны деформации (сминаемые участки) (рис. 2.47, а) и поднимающиеся участки (рис. 2.47, б). В результате столкновения энергия удара проходит через весь кузов и деформирует менее прочные элементы. Для повышения уровня защиты пассажиров в передней и задней частях кузова широко применяются зоны, поглощающие энергию удара. Энергию удара поглощают лонжероны и верхние усилители брызговиков крыльев, а также верхние боковые панели моторного отсека. Лонжероны в задней части кузова проектируются таким образом, чтобы поглотить энергию удара и защитить топливный бак.

Лонжероны так же, как крашбоксы, делают с зонами программированной деформации (рис. 2.48).

1 – залом на ребре лонжерона; 2 – подштамповка, изменяющая форму сечения лонжерона; 3 – ручей программированной деформации; 4 – отверстие–концентратор напряжений; 5 – усилитель крыла переменного сечения

От жесткости лонжеронов зависит виброустойчивость кузова и управляемость автомобиля. С другой стороны, при лобовом столкновении жесткий лонжерон не загасит энергию удара, а передает ее на силовой каркас салона, что тот не выдерживает. Поэтому лонжерон должен быть одновременно и жестким, и пластичным, что на первый взгляд невозможно. На лонжероне выполнено множество заломов и концентраторов напряжений, благодаря которым эта деталь «не ломается пополам», а «собирается в гармошку». При этом поглощается значительное количество энергии, достаточное для обе печения пассивной безопасности при ударе средней силы. После сокращения длины лонжерона на 1/3 ему «на помощь» вступает в
работу усилитель крыла переменного сечения 5, который также имеет заломы и концентраторы напряжений 4. Лонжерон и усилитель крыла вместе способны выдержать удар большой силы. От лонжеронов и усилителей крыльев нагрузка должна быть распределена на силовой каркас салона.

Контрольные вопросы к подразделу 2.6

1. Из каких элементов состоит кузов легкового автомобиля?

2. Какие требования предъявляются к кузову современного легкового автомобиля?

3. Каким образом распределяются силы при ударе в легковом автомобиле?

4. Какие конструктивные особенности кузова легкового автомобиля применяются для снижения повреждения кузова и травмирования пассажиров?

5. Что такое крашбокс?