Каркас безопасности для спортивного автомобиля

К нам часто обращаются с вопросами «как построить каркас безопасности?» и «из чего изготовить каркас безопасности?». К сожалению, в одной статье полностью этот вопрос раскрыть невозможно, т.к. существует большое количество практических нюансов, описания которых хватит на довольно толстую книгу. Поэтому мы остановимся лишь на основных моментах, которые позволят Вам с самого начала двигаться в правильном направлении и не совершить фатальных ошибок на старте. Зная основные принципы постройки каркасов безопасности, Вам останется лишь аккуратно воплотить задуманную конструкцию в жизнь.

Зачем нужен каркас безопасности?

Основное назначение этой конструкции – предотвращать серьезные деформации кузова автомобиля при перевороте или столкновении и тем самым сохранять Вам жизнь и здоровье. Каркас безопасности – это пространственная конструкция, жестко связанная с силовыми элементами кузова, и ее задача – сохранять жизненное пространство внутри даже при самой жесткой аварии, чтобы деформирующиеся детали кузова не нанесли вам увечий.

Существует две разновидности таких конструкций – сборно-разборная (или болтовой каркас) и цельносварная. Болтовой каркас безопасности можно установить, не внося серьезных изменений в салон автомобиля. Наиболее продуманные конструкции позволяют даже сохранить неприкосновенным салонный пластик.

Что бы ни рассказывали Вам маркетологи и продавцы подобных конструкций, болтовой каркас из-за обилия разъемных соединений не обладает достаточной жесткостью, чтобы полноценно защитить пассажиров автомобиля. Поэтому такая конструкция не может использоваться в автомобилях, предназначенных для спортивных соревнований. Она может служить скорее элементом дизайна авто, пусть и несколько увеличивающим жесткость кузова.

Для практического применения представляют интерес исключительно сварные каркасы безопасности. Их установка требует полной разборки салона и вмешательства в конструкцию кузова автомобиля. К сварным каркасам предъявляются жесткие требования, отклонение от которых приведет к тому, что автомобиль не будет допущен к выходу на трассу.

Из чего изготавливаются каркасы безопасности?

Требования и описание конструкции каркасов безопасности спортивных автомобилей приведены в ст.253 часть 8 Приложения «J» к Международному Спортивному Кодексу ФИА (МСК ФИА). Правила использования каркасов безопасности и основные конструкции каркасов описаны в Приложении №14 к КиТТ РАФ. Рекомендуем начать изучение конструкций с Приложения №14, а за подробными разъяснениями обращаться к Приложению «J».

Элементы каркасов безопасности условно можно разделить на основные и вспомогательные. Основные элементы (на схеме ниже выделены серым цветом) создают «фундамент» защитной клетки, который дополнительно усиливается вспомогательными элементами. Вспомогательные элементы (на схеме – белые) изготавливаются из более тонкой трубы, что позволяет снизить общую массу конструкции без ущерба для защитных свойств.

Все элементы выполняются из круглой стальной холоднокатаной бесшовной трубы. Материал трубы Ст20. Основные элементы каркаса безопасности выполняются из трубы 50 х 2мм ИЛИ 45 х 2.5мм. Вспомогательные элементы из трубы 40 х 2мм ИЛИ 38 х 2.5мм.

Диаметр применяемых труб и масса каркаса безопасности

Средняя масса готового каркаса безопасности составляет 40-50 кг. По понятным причинам эту массу хотелось бы уменьшить. Применяемая для основных деталей труба 50 х 2мм легче, чем 45 х 2.5 на 10%. Применяемая для вспомогательных деталей труба 40 х 2мм легче трубы 38 х 2.5 на 15%. При этом масса основных деталей каркаса в среднем составляет не более 40% от общей массы готовой конструкции, а на вспомогательные детали приходится оставшиеся 60%.

Логика подсказывает, что если использовать более легкие трубы, то это положительно скажется на массе конструкции. Возьмем за точку отсчета массу каркаса безопасности 50кг и будем считать, что он выполнен из более тяжелых труб (45 х 2.5мм и 38 х 2.5мм). Переход на более легкие трубы позволит сэкономить примерно 2 кг на основных деталях (50кг * 0.4 * 0.1 = 2 кг) и приблизительно 4.5 кг на вспомогательных деталях (50кг * 0.6 * 0.15 = 4.5 кг).

Таким образом общая экономия массы по оптимистическим оценкам составит примерно 6.5кг (2 кг + 4.5кг = 6.5кг), что является довольно скромным результатом в масштабах автомобиля.

В реальной ситуации выигрыш будет еще меньше. В большинстве случаев масса каркаса безопасности все же ниже 50кг, и кроме деталей из труб в конструкции присутствуют всевозможные накладки, косынки и усиления, чья масса останется неизменной. Это позволяет нам утверждать, что размер применяемых при постройке каркаса безопасности трубы не оказывает значительного влияния на его массу. Поэтому не имеет большого значения, какие именно из труб, указанных в Приложении «J», использовать.

Используйте те трубы, которые проще купить в Вашем регионе, и которые Вы можете согнуть с помощью доступного Вам инструмента. Гораздо важнее сама конструкция каркаса, т.к. количество использованного материала и число элементов конструкции влияет на массу сильнее.

Конструктивные требования

Каждая деталь каркаса безопасности должна быть выполнена из единого куска трубы без сочленений. Поверхность трубы должна быть ровной гладкой, без складок и трещин. Это значит, что «морщины» и «гофра» на внутренней стороне изгибов труб недопустимы.

Все сварные швы должны иметь самое высокое возможное качество с полным проваром. Предпочтительно применять электродуговую сварка в среде защитного газа. Сварной шов должен полностью опоясывать периметр трубы. Хотя хороший внешний вид сварного шва не обязательно гарантирует его качество, плохо выглядящие сварные швы никогда не являются признаком качественного изготовления – такой каркас безопасности будет забракован.

Трубы должны быть согнуты «на холодную», т.е. без применения нагрева. Радиус гиба по осевой линии должен составлять не менее трех диаметров трубы. Обратите внимание не «равен трем диаметрам трубы», а «не менее трех диаметров» – т.е. «три или более трех».

При гибке трубы ее сечение часто принимает овальную форму. Приложение «J» к МСК ФАИ допускает овальность, при которой отношение минимального к максимальному диаметру составляет 0.9 или более. Проще говоря, нужно измерить трубу в месте перегиба в самом узком и самом широком месте и поделить первое значение на второе. Если получится число меньше 0.9, такой гиб будет забракован.

Гибка элементов каркаса

При изготовлении каркасов безопасности наибольшую сложность представляет гибка труб. Широко распространенные арбалетные трубогибы не подходят для данной задачи, т.к. они портят трубы и попросту не удобны в работе с крупными деталями. Самой большой проблемой таких трубогибов является овальность труб после гибки, которая выходит за рамки требований Приложения «J» (см. «правило 0.9» в части, описывающей конструктивные требования). Причины, по которым это происходит, подробно описаны в статье «Почему арбалетный трубогиб ломает трубы?».

Избежать вредных деформаций и добиться хорошего результата можно, если использовать технологию гибки труб методом намотки на оснастку. Подобная технология применяется в нашем ручном трубогибе BigBender Mk3 и гидравлическом трубогибе Mk2. Данные трубогибы работают с трубами диаметром до 45мм включительно, что делает их незаменимыми при постройке каркасов безопасности спортивных автомобилей, рам багги, элементов подвески и силового обвеса внедорожников.

Как было замечено ранее, размер применяемых труб из числа разрешенных в Приложении «J» не оказывает значительного влияния на массу готового каркаса безопасности, поэтому верхний предел производительности трубогибов BigBender в 45мм не является проблемой. Данные станки аккуратно и точно гнут трубу 45 х 2.5, обеспечивая итоговую овальность в регламентированных Приложением «J» пределах. Аналогично дело обстоит и с трубами 40 х 2мм и 38 х 2.5мм.

Сварка элементов каркаса

При сварке элементов каркаса безопасности предпочтительнее использовать сварку в среде защитных газов – MIG или TIG («полуавтомат» или «аргон»). Приложение «J» не запрещает использовать сварку MMA (электродами), однако из-за специфики конструкции каркаса с помощью этой технологии довольно сложно получить качественные швы, если квалификация сварщика недостаточно высока. Поэтому высок риск что готовый каркас, сваренный таким образом, не получит одобрения.

При подготовке деталей каркаса безопасности к сварке особое внимание следует уделять подгонке элементов. Важно обеспечить равномерное прилегание деталей друг к другу во всему периметру соединения и минимальные зазоры. Это избавит Вас от возникновения излишних напряжений в конструкции, обеспечит высокое качество швов и должную прочность каркасу.

Для подготовки торцов труб к сварке рекомендуем использовать торцеватель – устройство для резки в трубах седловин с помощью биметаллических коронок. Эти приспособления позволяют «запиливать» концы труб под нужным Вам углом, а получающийся в результате вырез имеет форму, идеально совпадающую с привариваемой трубой.

Данное устройство в качестве режущего инструмента использует стандартные биметаллические коронки и приводится в действие электродрелью, в патрон которой зажимается приводной вал торцевателя. Торцеватель может быть зажат в тиски или установлен на собственной стойке. Используя данный инструмент, Вы многократно сокращаете время на подгонку элементов каркаса друг к другу и обеспечиваете очень точное прилегание деталей, благодаря чему сварной шов получается более аккуратным и прочным.

Заключение

Постройка каркаса безопасности – не ядерная физика, но в то же время дело ответственное, т.к. от его конструкции зависит жизнь и здоровье экипажа спортивного автомобиля. Правильный подбор материалов и инструмента поможет Вам сэкономить большое количество сил и времени при постройке и послужит гарантией того, что готовый каркас успешно пройдет техкомиссию, а автомобиль, на котором он установлен, будет допущен к соревнованиям.

Как правильно сделать каркас безопасности в автомобиле

Даже кузов здесь играет меньшую роль. Каркас для каждого автомобиля индивидуален. Обычно он состоит из набора конструкций и труб. Трубы скрепляются между собой сваркой и крепятся в определенных местах к кузову машины. Как правило, каркас крепиться на машину без демонтажа.

Каркасы различаются по сложностям конструкции и по самой конструкции. По конструкции их различают на неразборные и съемные. Разборные каркасы жесткости – это когда клетка крепиться к порогу и полу. А не разборный (вваренные), как правило, сложные по конструкции, связаны с силовой частью кузова. Такие каркасы применяются только при индивидуальном тюнинге. Так же каркасы подразделяются для двух или четырех дверных автомобилей. При установке на четырех дверную пятиместную машину такого каркаса безопасности, она превращается в двух местную, так как места пассажирских сидений позади водителя отдаются под сплетения каркаса. Материалом под каркас чаще всего становится алюминий, размер труб которых составляет 45х2,5; 40х2,0 см. Трубы, как правило, окрашивают в яркие цвета.

Перед тем как приступить к изготовлению каркаса, Вы должны определиться на какой автомобиль Вы будете ставить, и какой каркас Вы предпочтете. Наиболее удобными моделями являются: VW Golf , ВАЗ 21083, Honda Civic, Mitsubishi Colt и др.

Многие не знают, как правильно сделать каркас безопасности в автомобиле, чтобы он был по настоящему прочным и надежным. Для начала желательно изготовить макет кузова, например из пластилина. Это поможет правильно согласовать элементы кузова. Есть несколько способов изготовления макета кузова. Лучше всего сделать макет в натуральную величину из пластилина или гипса, что бы наглядно видеть все аспекты установки каркаса. Изготовив макет кузова в натуральную величину, следует по своим чертежам разработать модель каркаса. Теперь нужно в натуральную величину изготовить каркас на реальную машину. Соответственно выдержав размеры.

Если Вы изготавливаете макет из дерева или фанеры, каркас можно сразу изготавливать из металлических труб в натуральную величину. Сложные изогнутые детали нужно изготавливать из нескольких составных частей. Для каркаса желательно применять трубы с толстыми стенками. Наилучшем подходящим материалом является алюминий. В этом случае вместо сварки, трубы сплющиваются и крепятся болтами и клепками. Так же можно соединить трубы с помощью стального стержня, на которых их надеть, а затем стянуть болтами. Каркасу не обязательно повторять очертания кузова. Большие возможности для конструирования дают трубы не круглого сечения. Возможны так же совместное применение материалов.

При создание кузова нужно определить какое количество будет дверей и как они будут открываться. Для удобства на некоторых моделях автомобиля можно сделать двери, которые будут открываться наверх.

Каркас можно условно разделить на распорки. Передние распорки – это один из самых распространенных видов укрепления кузова. Плюсами такого вида распорок являются простота, дешевизна, а также увеличение жесткости автомобиля в передней его части. Предназначение таких распорок – снижение деформации чашек кузова при повороте автомобиля. Если конструкция таких распорок сбалансирована, скорее, всего, результат работы будет не заметен.

Не рекомендуется устанавливать такие распорки на автомобили ВАЗ. Обычная простая распорка работает только на сжатие, но при добавлении дополнительного элемента – косынки, но можно заставить работать и на кручение. Косынками усиливают места арок колес, стойки подвески и ребра жесткости.

Так же к дополнительным элементам распорок можно отнести и «штанги». Штанга – это отдельное подвижное крепление, которое соединяет двигатель автомобиля и распорку. Предназначена же она для уменьшения перемещения двигателя при резких движениях. Работает штанга при резких поворотах и стартах.

Нижняя распорка предназначена для уменьшения перемещения рычага кронштейна передней подвески, уменьшения напряжения, причем забирая некоторую часть нагрузки на себя. В итоге улучшается управляемость, устойчивость на дороге, увеличивает срок службы кузова. Установка нижней распорки – это достаточно трудоемкий процесс.

Задняя распорка предназначена для уменьшения перемещения задних стаканов крепления и увеличивает жесткость кузова. Но такой вид распорки эффективен, если она прикреплена к задним элементам кузова. Распорка довольно легко устанавливается и демонтируется. Минусом является то, что распорка занимает много места. Если на автомобиле уже установлена боковая подвеска, то лучше будет не устанавливать задние или передние распорки.
Так же помимо распорок, для увеличения жесткости, можно увеличить сварные швы, усилить динамики, поставить стабилизаторы и поперечники.

Увеличивать сварочные швы нужно для укрепления корпуса, так как при сварке кузова остаются определенные промежутки. Увеличение сварочного шва позволит увеличить жесткость кузова, но это зачастую бывает сделать очень трудно потому, что отсутствуют специальные инструменты и сварочные аппараты которыми пользуются на конвейере. Если уж и увеличивать сварочные швы, то нужно прибегать к помощи очень квалифицированных специалистов. Та же можно приварить к наиболее слабым участкам кузова дополнительные элементы для увеличения жесткости.

Стабилизаторы и поперечины присутствуют в стойке и так же влияют на управляемость. Варианты по их усовершенствованию не много. Замена или усиление. Минусами являются появление шума и повышенная чувствительность. Плюсами – жесткость и улучшенная управляемость.
Подрамники несколько похожи на стабилизаторы и поперечники, но разница в масштабах установки. Можно изменить геометрию, увеличить колею, следствием чего станет повышенная управляемость и устойчивость.

Итак, мы рассмотрели, как правильно делать каркас безопасности в автомобиле. При желании, можно установить каркас жесткости на автомобиль, но это требует определенных затрат и полную переделку своей машины.