Каркас жесткости для авто

Жесть, как она есть: всё об усилении кузова

Гулять, дышать и плавать умеет не только человек, но и кузов автомобиля. Только в случае с «железом» о здоровом образе жизни речи идти не может – все эти явления пагубны, и автопроизводители стараются их избегать. Получается не всегда, и на помощь приходит тюнинг.

Несмотря на общую целостность, кузов автомобиля представляет из себя сложную конструкцию, сваренную воедино из десятков, а иногда и сотен элементов. Прибавьте к этому действующие на него нагрузки от подвески и агрегатов, вызывающие в металле внутренние напряжения. Факторы внешней среды тоже не идут кузову на пользу и негативно отражаются на его долговечности. Резюмировав, получаем, что «скелет» автомобиля вовсе не так фундаментален, как может показаться на первый взгляд.

Почему же производители со своими астрономическими бюджетами не закладывают достаточную жёсткость кузова на стадии проектирования и производства автомобиля, оставляя поле деятельности для нас, «тюнингистов»? Во-первых, закладывают, но для обыкновенной, гражданской езды. Во-вторых, в процессе эксплуатации она теряется, равно как и из-под капота убегают отжившие своё «лошади». Наконец, инженеры-проектировщики не могут наращивать жёсткость до бесконечности, так как скованы десятками других факторов. Например, использование высокопрочных сталей наращивает массу автомобиля и удорожает производство, а отдельные элементы, такие, как передние лонжероны, в угоду пассивной безопасности должны гасить энергию удара при столкновении. Следовательно, они должны быть выполнены из мягких сплавов. Кроме того, существуют ограничения по компоновке, вынуждающие делать элементы изогнутыми, что в свою очередь снижает их жёсткость.

Итак, краеугольная величина, ради повышения которой всё затевается – жёсткость кузова на кручение вдоль продольной оси кузова автомобиля. Измеряется она в Нм/градус и показывает, какое усилие нужно приложить к кузову, чтобы изогнуть его на один градус. По современным меркам нормальным показателем для машин с несущим кузовом является 20 000 Нм/град и выше, в то время как в начале века цифры были ниже вдвое. Максимальной величиной жёсткости обладают так называемые «однообъёмники», чья силовая структура условно напоминает куб. Хуже с этим делом у трёхобъёмных машин, особенно с большим количеством дверей, так как последние не являются частью силовой структуры кузова. Самая большая проблема, следовательно, у открытых кузовов: родстеров, кабриолетов и им подобных. Именно поэтому кабриолеты зачастую тяжелее аналогичных купе – для компенсации жёсткости кузова вследствие «поехавшей крыши» их конструкция усиливается дополнительно.

Измерение жёсткости кузова на кручение – процесс многоступенчатый и любопытный. Прежде всего, опытные образцы тестируют в виртуальной среде при помощи программ, которые не предустановлены на ваших Windows и MacOS. Но наибольший интерес представляет «живой» тест. В этом случае кузов фиксируется на станине измерительного комплекса за точки крепления задней подвески. В это время на точки крепления передней подвески воздействуют мощные гидроцилиндры, которые создают усилие «на кручение» в вертикальной плоскости, но разных направлениях.

Как мы упомянули, в процессе эксплуатации жёсткость кузова неотвратимо снижается, и хороших последствий это не принесёт в любом случае. Автомобиль с «уставшим» кузовом медленнее реагирует на повороты руля, его реакции расхлябаны и неоднозначны. Кроме того, «дышащий» металл сильнее подвержен деформациям и растяжениям, а также коррозии. При подъёме на домкрате, диагональном вывешивании или заезде одним из колёс на бордюр двери из-за возникшего перекоса могут попросту не открыться… или не закрыться. Короче говоря, с недостатком жёсткости нужно бороться. Какими способами? Ниже приведём их перечень с указанием достоинств и недостатков каждого.

Распорки

Этот вариант усиления кузова, пожалуй, больше других «на слуху». Сотни тюнинговых фирм сегодня готовы предложить распорки практически на любой автомобиль. Устанавливаются такие детали в штатные места без существенных доработок, а нередко ими снабжают автомобиль, покидающий сборочный конвейер ещё на заводе. Но мы говорим про тюнинг, поэтому «стоковые» варианты рассматривать не будем. Дополнительные распорки призваны связать воедино наиболее нагруженные, а оттого и «гуляющие» элементы кузова, такие как стаканы стоек подвески, точки крепления рычагов и агрегатов.

Источник

Интересная и полезная информация о увеличении жесткости кузова

Каркасы сегодня прочно заняли место в ряду самых популярных тюнинг аксессуаров, а про распорки, наверно, не стоит даже и говорить – это вообще относится, чуть ли не к разделу стока. Как это не печально, но многие ставят каркасы и распорки из-за красоты, по принципу хуже не будет…

Кто учился в университете на техническую специальность, не понаслышке знает про предмет «Сопротивление материалов» или «Сопромат». Этот предмет считается одним из самых сложных в высшей школе, благодаря ему наша армия пополнилась не одним взводом молодых солдат. Для тех, кто учился на гуманитарных специальностях и ли просто не учился, рассказываем: сопромат изучает способность материала сопротивляться воздействию на него других тел. В нашем случае материал – это кузов, а другие тела – это дорога, силы инерции и другие побочные дорожные объекты, включая кузова других автомобилей. В купе действие этих факторов приводит к достаточно серьёзным последствиям для кузова вплоть до полной не пригодности автомобиля.

Приведём яркий пример: большинство бытовой техники продаётся в картонных коробках с вставками из пенопласта по внутреннему периметру. А теперь подумай, если взять просто картонную коробку и начать скручивать, то проблем у тебя с этим точно не возникнет, она легко складывается и мнётся. Теперь заклеим крышки скотчем, она всё ещё мнётся, но уже надо приложить достаточно большое количество усилий. А если вложить продольные распорки из пенопласта, которые прочно упираются в бока, теперь можно засовывать много килограммовую технику, даже забивать гвозди и играть в футбол – не прочный на вид картон без проблем с этим справится.

Тоже и с автомобилем, но в любом, даже самом жестком кузове, возникают деформации, пускай даже микроскопические. Для ещё одного примера возьмем, скажем, так «не новую» машину отечественного производства и поднимем её на домкрате. В 80% случаев при этом двери заклинит в проёмах, а это значит, что кузов деформировался! Как это влияет на поведение автомобиля? Главная прочностная характеристика автомобильного кузова — это его жесткость на скручивание. Если жесткость кузова невелика, тогда реакции на повороты руля становятся «размазанными» — изгиб кузова и податливость металла в зонах крепления рычагов подвески вносят рассогласование в работу передней и задней подвесок. К тому же постоянное скручивание заставляет кузов стареть интенсивнее. Начинают потихоньку «раскрываться» сварные швы, в образовавшиеся микротрещины пробирается коррозия. В общем, ничего хорошего. Также достаточно сильно на жесткость влияет и тип кузова. В этом плане 3-х дверные хэтчбеки и купе по жесткости намного впереди всех остальных именно из-за формы кузова, обеспечивающего максимальное сопротивление изгибу, ну а самыми мягкими считаются минивэны и универсалы.

Пути и способы увеличения жесткости.

Вариантов увеличения жесткости много и их выбор зависит, прежде всего, от назначения автомобиля и толщины кошелька владельца. Первое это «распорки» или «растяжки».

Вариантов просто тьма – десятки разновидностей и сотни модификаций. Но всё же можно выделить основные виды: распорка передняя, распорка нижняя, распорка задняя, так же в эту группу можно добавить – «косынки» и «штанги»

Это — элемент силовой структуры стоек крепления передней подвески.

Передние распорки – самый распространённый вид укрепления кузова, его плюсы очевидны – простота установки, небольшая цена, визуальная привлекательность и достаточно сильное увеличение жесткости передней части автомобиля. Их назначение – снижать деформацию и перемещение чашек кузова при повороте автомобиля. Результат установки зависит от автомобиля. Если его конструкция в целом сбалансирована, тогда результат, скорее всего, виден не будет. А для других данное устройство рекомендуется категорически. Например, для ВАЗовского «десятого» семейства. Там «гуляют» не только стойки, а деформируется весь щит передка! Кстати, для него тоже есть специальный усилитель, но об этом позже. На рынке сейчас можно наблюдать изобилие передних распорок, но принципиально различается лишь материал и способ крепления.

Обычная распорка работает исключительно на сжатие, но можно заставить работать её и на кручение, для этого чашку дополнительно усиливают ещё одним элементом – косынками( специальными толстыми стальными пластинами). В результате распорка начинает работать ещё и на кручение. Косынками можно так же усилить места колёсных арок, стоек подвески и рёбер жесткости всего кузова, в большинстве своём для этого придётся разобрать почти пол машины, по крайней мере весь салон точно, поэтому этот приём используется в основном на гоночных машинах.

Нижняя распорка уменьшает перемещение кронштейна рычага передней подвески, снижает напряжение, возникающее в кронштейне рычага и соединителе лонжерона с полом. Забирая часть нагрузки на себя, распорка нижняя уводит детали кузова из зоны высоких напряжений. В итоге улучшение управляемости, устойчивости, увеличение срока службы кузова. Установка достаточно трудоёмка.

Уменьшает перемещение задних стаканов крепления, увеличивает общую крутильную жесткость кузова. Результат: улучшение управляемости, устойчивости. Главное, что надо учитывать: распорка задняя дает эффект лишь в том случае, если она закреплена за силовые элементы кузова, а не за промежуточные элементы (кронштейны крепления сидений, например). Задняя распорка, тоже достаточно легко устанавливается и демонтируется, но есть и отрицательные моменты: во первых это лишнее место в грузовом отсеке, во-вторых есть подводные камни, задняя распорка может увеличить недостаточную поворачиваемость особенно если задняя часть машины укреплена ещё какими-то элементами. Если на машине стоит стоковая подвеска лучше отказаться от укрепления зада или укрепить его только одним усиливающим жесткость элементом.

Кроме распорок существуют ещё множество путей укрепления кузова – увеличение сварных швов, усиленные подрамники, стабилизаторы поперечной устойчивости и поперечины, различные усиливающие элементы в слабых по жесткости местах, разработанные под конкретную модель и, конечно, каркасы.

Увеличение сварочных швов и вварные элементы.

Увеличение сварочных швов. Дело в том, что кузов на конвейере сваривается точечной сваркой, т.е. между точками сварки остаются промежутки. Естественно чем эти точки расположены плотнее, тем жестче конструкция. Однако увеличению их препятствует технологические проблемы в производстве и сложность их выполнения без спец.инструмента. Но эту проблему легко устранить квалифицированному сварщику с достойным оборудованием. Главное не нарваться на неквалифицированного сварщика и не нарушить физику кузова. Так же распространено приваривание новых дополнительных железных элементов в слабые участки кузова.

Стабилизаторы и поперечины.

Эти агрегаты присутствуют и в стоке и имеют кучу свойств, которые влияют на управляемость, комфорт, так что обычно на заводских машинах стоят промежуточные, так сказать не слишком мягкие, не слишком жесткие. Варианта по их усовершенствованию два – усиление и замена. Побочные действия – повышение шума, чувствительность к неровностям и всё те же положительные свойства: управляемость и жесткость. Категорический не рекомендуется устанавливать стабилизаторы, поперечины в тандеме с задней распоркой особенно особенна на стоковую подвеску.

Подрамники во многом схожи со стабилизаторами и поперечинами, разница только в глобальности, для некоторых версий подрамника понадобится серьёзные доработки всего передка автомобиля – переварка и перерезка, переделываются стаканы и даже амортизаторы, а на вид такие работы не слишком дружелюбны. Но зато эффект! Можно полностью изменить геометрию подвески, улучшить стабилизацию за счет увеличения кастора, увеличить колею а как следствие устойчивость и управляемость. Жесткость, естественно, тоже возрастёт.

Кроме всего перечисленного есть детали усиливающие кузов конкретного автомобиля в его слабых местах. Эта тема достаточна актуальна для Вазов 10-го семейства их кузов очень слаб, и поэтому усиливать можно буквально каждый сантиметр.

Каркас, в гоночном автомобиле, выполняет не только свои прямые функции по защите пилота, но и великолепно усиливает кузов. Он обязателен к применению в любом гоночном автомобиле, разница только в его сложности( правда обязанность появилась не так давно в 1994 году, до этого установка каркаса была делом сугубо личным). Каркас представляет собой сочетание жестко соединённых между собой стальных (сталь с временным сопротивлением на разрыв не менее 45 кг/кв. мм) холоднотянутых бесшовных труб, например 30ХГСА. По типу каркасы можно разделить грубо на две категории: омологированные и не омологированные. Первые вы можете установить к себе в автомобиль и вас могут допустить на официальные соревнования. Однако он очень сложен и доставляет определённые трудности, о которых поговорим ниже. Второй тип – это «гражданские» каркасы, попроще и естественно дешевле.

Силовой агрегат жестко соединенный с кузовом.

Еще в автоспорте широко применяется такой приём увеличения жесткости кузова, как включение в его силовую структуру агрегатов, например двигателя, коробки передач и главной передачи. Это значит, что все они жестко соединены с кузовом, что так же очень сильно увеличивает жесткость. Например подобные решения встречаются почти на всех «формулах», в т.ч. наших Формулах «1600» и «Русь». Вообще же родоначальником данной идеи был легендарный Колин Чемпмен, отец-основатель фирмы «Лотус», который впервые воплотил идею в жизнь на Лотусе-25 Формулы-1.

На жесткость кузова заметно влияет и то, как именно установлен силовой агрегат. Поэтому разница в результатах бывает выше у автомобилей классической компоновки — там жесткость на кручение повышает балка передней подвески. А вот в переднеприводных машинах с поперечным расположением двигателя и передней подвеской типа McPherson, заметную прибавку может дать… спинка заднего сиденья! Например, в «восьмерках» и «девятках» заднее сиденье увеличивает жесткость кузова примерно на 1000 Нм/град из-за того, что спинка цельная и жесткая, а на многострадальном десятом семействе спинка раздельная и эта 1000Нм испаряется. Поэтому ВАЗ рекомендует владельцам, как можно реже ездить со сложенным задним сиденьем — кузов при этом ослаблен и хуже сопротивляется скручивающей нагрузке. На самом деле в тюнинге можно выделить двух врагов – уменьшение веса и жесткость кузова, а это вещи друг друга взаимоисключающие, так что делайте выводы, борясь за уменьшение веса можно уменьшить жесткость, а что важнее вопрос не однозначный.

Источник

Каркасы безопасности и жесткость кузова

Каждый спортсмен, занимающийся автоспортом (в свое удовольствие или профессионально), обязан повысить безопасность автомобиля. Ни одна салонная машина не рассчитана на нагрузки, с которыми кузов сталкивается на гонках. Чтобы на высоких скоростях, при столкновении водитель не получил серьезные травмы, в салон устанавливают каркас безопасности (safety cage).

Из материала вы узнаете об особенностях этой конструкции, разновидностях и их отличиях. Ознакомитесь с технической документацией, и прочей полезной информацией по теме.

Что такое каркас безопасности

Каркас безопасности представляет собой конструкцию, состоящую из стальных труб. Монтируется внутри транспортного средства, после чего прикручивается или приваривается к кузову в ключевых точках. Основная задача каркаса – придание дополнительной жесткости.

Пространственный каркас безопасности предотвращает серьезную деформацию кузова при перевороте или столкновении транспортного средства с другими объектами. Необходимость монтажа конструкции продиктована международным регламентом спортивной ассоциации FIA, а также рядом других контролирующих органов.

Жесткость кузова

Жесткость кузова современных автомобилей являет собой важный параметр, от которого зависит его безопасность. Чем меньше жесткость кузова, тем быстрее в нагруженных местах начнут появляться трещины, усталость металла.

С другой стороны, при попадании в дорожно-транспортное происшествие, кузов с небольшим запасом жесткости деформируется сильнее. Это увеличивает вероятность смертельного исхода при одинаковой скорости по сравнению с машиной, у которой этот показатель на порядок выше.

Кроме того, этот параметр характеризует общую прочность транспортного средства, степень пассивной безопасности и долговечности. Кузов является несущей конструкцией всего автомобиля, навесных элементов, пассажиров и перевозимых грузов.

Если жесткость на кручение недостаточная, при проезде по неровностям машина начинает «играть». Это приведет к неправильной работе подвески, непрогнозируемому ее поведению на высокой скорости. Кручение нужно снизить настолько, насколько это вообще возможно.

Главный параметр, опираясь на который, специалисты проводят тестирование – жесткость кузова на кручение вдоль продольной оси. Задача определить, какое усилие нужно приложить к кузову, чтобы вызвать деформацию на 1 градус. Измеряется жесткость в Нм/градус.

Наиболее жесткими считаются автомобили с однообъемной компоновкой кузова, когда силуэт напоминает форму куба, например минивэны. Куда меньшее сопротивление имеют двух и трехобъемные кузова. Большое количество дверей также снижает показатель. Самая низкая жесткость у автомобилей с открытым верхом.

Таблица значений жесткости кузова

В быту автовладелец также может столкнуться с проблемой жесткости. Например, при поддомкрачивании автомобиля, или заезде одним колесом на препятствие. Из-за кручения навесные элементы кузова (двери, капот) начинают плохо открываться. Причина как раз в недостаточной жесткости кузова.

Способы увеличения жесткости

Увеличение показателей жесткости кузова достигается не только путем приваривания или прикручивания каркаса, существуют и менее радикальные способы.

Навесные усилители жесткости

При выпуске нового автомобиля, рассчитывается в том числе и жесткость его кузова. Производитель закладывает необходимый запас жесткости, но если транспортное средство не предназначено для автогонок, то ожидать от него чудес не стоит.

Самый простой и доступный способ – установка усилителей жесткости, в народе распорок или «УЖей». Делятся на три типа:

Кроме этого существует масса дополнительных усилителей для конкретных марок и моделей автомобилей: подрамные, распорки вдоль порогов, на крылья (косынки), каркас под бампер — башбар (bash bar).

Установка распорок не относится к способу подготовки автомобиля к участию в автогонках, разве что на любительском уровне.

Усиление кузова

Это уже более продвинутый способ увеличения жесткости, весьма трудоемкий и затратный в финансовом плане.

При интегрированном усилении, места точечной сварки обвариваются дополнительно. Точки крепления агрегатов и особо нагруженные места кузова, усиливаются дополнительными слоями металла. Особое внимание уделяется зонам деформации, предусмотренным производителем. На эти места ввариваются косынки и перемычки.

Однако, для подготовки к участию в профессиональных спортивных дисциплинах, потребуется установка каркаса.

Виды каркасов

С конструктивной точки зрения, каркас безопасности бывает двух видов – болтовой и вварной. Рассмотрим каждую разновидность поподробнее.

Болтовой каркас безопасности

Также называется сборно-разборным. Крепится к боковым стойкам, порогам и полу при помощи болтов. В любой момент конструкцию можно полностью разобрать. Как правило, болтовый каркас пользуется популярностью среди начинающих автогонщиков, а также владельцев, использующих транспортное средство в комбинированном режиме – для повседневной езды и участия в соревнованиях.

Устанавливая такой каркас нужно выбирать качественный крепеж. Если болты будут плохими, при аварии конструкция может отстегнуться и повредить водителя.

Вварной каркас безопасности

Чтобы при помощи каркаса безопасности получить жесткость кузова, регламентированную правилами автомобильных ассоциаций, нужно внимательно изучить ряд приложений.

Приложение J

Являет собой официальный документ, выпущенный международной автомобильной федерацией FIA (Fédération Internationale de l’Automobile). https://www.fia.com/

Правила повышения безопасности кузова каркасным методом прописаны в статье 253. Там указаны технические параметры каждого элемента конструкции, используемого в «клетке». Читать перевод статьи в формате PDF.

Источник http://www.raf.su/kst/category/74-prilozheniya-j (там же переводы других статей данного приложения).

Приложение 14

Разработано Российской автомобильной федерацией. Являет собой регламент, устанавливающий использования автомобильных каркасов безопасности. Актуален для тех, кто планирует соревноваться в отечественных чемпионатах. Ознакомиться с приложением.

Каркас безопасности своими руками

Как показывает практика, самой удобной платформой для постройки спорткара является отечественный кузов ВАЗ. Разработать и воплотить в реальность конструкцию каркаса можно и самостоятельно.

При изготовлении «клетки», в соответствии с требованиями стандарта ГОСТ 8734-58, используется стальная труба двух сортаментов – 45х2,5 и 40х2,0 см. Сталь должна быть нелегированной, с содержанием углерода не более 0,3%. Это нужно для того, чтобы каркас был достаточно гибким и не лопался при деформации.

Также придется обзавестись трубогибом, чтобы придавать рабочему материалу оптимальную форму под нужным углом, поскольку нагрев категорически запрещен. При изгибе труба все равно будет плющиться, и разница между меньшим и большим диаметром не должна превышать 10%.

Чтобы точно отрезать и подогнать трубу, можно воспользоваться сервисом http://metalgeek.com/static/cope_big.pcgi После того как программа сделает развертку, нужно распечатать ее на принтере и перенеси на трубу.

Каркас лучше всего делать как можно ближе к кузову. Это позволит сохранить больше пространства для водителя и максимально повысить жесткость.

Варить лучше на аргоном или полуавтоматом. Основные точки сварки – стойки крыши, пороги. Используются как продольные элементы с левой и правой стороны кузова, так и косынки с накладками для повышения жесткости центральных стоек при боковом столкновении.

Косынки в омологированной конструкции обязательно должны иметь отверстия для инспекции сварного шва.

Обратите внимание на схему создания системы безопасности автомобиля ВАЗ, начиная с «копейки» и заканчивая «семеркой».

Если вы планируете принимать участие в соревнованиях на профессиональном уровне, забудьте о самостоятельном изготовлении. Придется покупать омологированный каркас. Это конструкция, прошедшая официальные испытания, качество которой гарантирует производитель. Она обязательно должна быть сварной и отвечать всем требованиям, предъявляемым официальными организациями.

Источник