Основная несущая часть автомобиля

36. Характеристика несущей системы автомобиля. Конструкция рамной, кузовной и рамно-кузовной несущих систем

36.1. Назначение и типы несущих систем автомобиля

Несущей системой называется рама или кузов автомобиля. Несущая система служит для установки и крепления всех частей автомобиля. Несущая система — одна из наиболее ответственных, материалоемких и дорогостоящих систем автомобиля.

Несущая система существенно влияет на многие эксплуатационные свойства автомобиля. На автомобилях применяются различные типы несущих систем. В зависимости от типа несущей системы автомобили подразделяют на рамные и безрамные.

В рамных автомобилях роль несущей системы выполняет рама (рамная несущая система) или рама совместно с кузовом (рамно-кузовная несущая система).

В безрамных автомобилях функции несущей системы выполняет кузов (кузовная несущая система), который называется несущим.

Рамная несущая система применяется на всех грузовых автомобилях, прицепах и полуприцепах, легковых автомобилях повышенной проходимости, большого и высшего классов и отдельных автобусах.

Несущая система автомобилей-самосвалов, кроме основной рамы включает еще дополнительную укороченную раму — надрамник, на котором устанавливается грузовой кузов и крепятся устройства подъемного механизма кузова.

Рамная несущая система проста по конструкции, технологична при производстве и ремонте, а также универсальна, так как обеспечивает унификацию обычных и специальных автомобилей. Кроме того, рамная несущая система позволяет выпускать на одном шасси различные по типу кузова модификации автомобиля.

Кузовная несущая система применяется на легковых автомобилях особо малого, малого и среднего классов, а также на большинстве современных автобусов. Кузовная несущая система по­зволяет уменьшить массу автомобиля, его общую высоту, снизить центр тяжести и, следовательно, повысить его устойчивость.

Недостатки: кузовная несущая система не обеспечивает хорошей изоляции пассажирского салона от вибрации и шума работающих агрегатов и механизмов, а также от шума шин, возникающего при их качении по поверхности дороги.

Рамно-кузовная несущая система применяется только на автобусах. При рамнокузовной несущей системе кузов автобуса не имеет основания. Рама и основание кузова объединены в единую конструкцию. Шпангоуты (поперечные дуги) каркаса кузова жестко прикрепляются к поперечинам рамы. Рама и каркас кузова работают совместно, воспринимая все нагрузки.

Рамно-кузовная несущая система имеет простую конструкцию, технологична при производстве и удобна в ремонте. По сравнению с рамной несущей системой рамно-кузовная имеет несколько меньшую массу кузова и более низкую высоту пола.

36.2. Характеристика рамных несущих систем

Рама служит для установки и крепления кузова и всех систем, агрегатов и механизмов автомобиля. Рама является одной из ответственных и наиболее металлоемких частей автомобиля. Раму имеют все грузовые автомобили, легковые автомобили повышенной проходимости, большого и высшего классов, отдельные автобусы, прицепы и полуприцепы. На автомобилях применяются рамы различных типов (рис. 5.1). Наибольшее распространение получили лонжеронные рамы.

Рис. 5.1. Типы рам

Лонжеронная рама грузового автомобиля (рис. 5.2) состоит из двух лонжеронов 1 (продольных балок), которые соединены между собой отдельными поперечинами 2.

Рис. 5.2. Лонжеронная рама грузового автомобиля: 1 — лонжерон; 2, 4 — попере-

чины; 3 — буксирное устройство; 5 — буфер; 6 —крюк

Лонжероны отштампованы из листовой стали и имеют швеллерное сечение переменного профиля. В зависимости от типа автомобиля и его компоновки лонжероны могут быть установлены один относительно другого параллельно или под углом, а также могут быть изогнуты в вертикальной и горизонтальной плоскостях. К лонжеронам обычно приклепывают различного рода кронштейны для крепления кузова, устройств подвески колес, механизмов трансмиссии, систем управления и др.

Поперечины, как и лонжероны, выполнены штампованными из листовой стали. Они имеют форму, обеспечивающую крепле­ние к раме соответствующих агрегатов и механизмов. Так, например, передняя поперечина 4 приспособлена для установки передней части двигателя. Лонжероны и поперечины соединены между собой клепкой или сваркой.

Устройство рам легковых автомобилей. Лестничная рама (рис. 5.3, а) состоит из двух лонжеронов 1, соединенных поперечинами 3. Лонжероны отштампованы из листовой стали и имеют профиль преимущественно закрытого типа.

Рис. 5.3.а. Лестничная рама легковых автомобилей: 1 — лонжероны; 2— крон-

штейны; 3— поперечины

К лонжеронам прикреплены различные кронштейны 2, предназначенные для установки и крепления кузова автомобиля, механизмов трансмиссии, передней и задней подвесок, систем управления и т.д. Рама имеет выгибы в вертикальной плоскости в местах расположения передних и задних колес автомобиля.

Эти выгибы обеспечивают большие ходы колес, снижение центра тяжести автомобиля и повышение его устойчивости при высоких скоростях движения.

Х-образная лонжеронная рама (рис. 5.3, б) состоит из короткой средней балки 5 трубчатого или коробчатого профиля, передней 4 и задней 7 вильчатых частей, выполненных из лонжеронов коробчатого профиля. Передняя вильчатая часть предназначена для размещения силового агрегата, а задняя — заднего моста.

Рис. 5.3.б. Х-образная рама легковых автомобилей: 6 — кронштейны; 4, 7 — вил-

В средней части рамы имеются консольные кронштейны 6 для крепления кузова, а вильчатые части рамы снабжены поперечинами для установки передней и задней подвесок. Х-образная рама позволяет увеличить углы поворота управляемых колес, уменьшить радиус поворота автомобиля и улучшить его маневренность. Кроме того, рама обеспечивает понижение пола кузова, центра тяжести автомобиля и повышение его устойчивости.

Периферийная лонжеронная рама (рис. 5.3, в) имеет наибольшее применение на рамных легковых автомобилях.

Она состоит из лонжеронов 8 замкнутого (коробчатого) профиля, которые проходят по периферии пола кузова автомобиля и создают ему естественный порог. Это увеличивает сопротивление кузова при боковых ударах. Рама имеет свободную среднюю часть, позволяющую опустить пол кузова, снизить центр тяжести автомобиля и повысить его устойчивость. Для увеличения хода колес автомобиля лонжероны рамы имеют выгибы в вертикальной плоскости над передним и задним мостами. Средняя часть рамы расположена ниже этих выгибов.

Хребтовая неразъемная рама (рис. 5.3, г) состоит из одной центральной продольной несущей балки 9, к которой прикреплены поперечины 10 и различные установочные кронштейны. Центральная балка рамы обычно имеет трубчатое сечение, внутри нее размещается карданная передача. Рама обладает высокой жесткостью на кручение, а размещение карданной передачи внутри хребтовой трубы рамы обеспечивает компактность конструкции.

Рис. 5.3, г. Хребтовая рама легковых автомобилей: 9 —балки; 10 — поперечины

Несущая система

Несущая система — важнейший элемент любого ТС. Она воспринимает все нагрузки, действующие на машину. Кроме того, несущая система является остовом ТС, к ней скрепятся все основные агрегаты и узлы (двигатель, механизмы трансмиссии, движитель через подвеску и т. д.).

Несущая система любого ТС должна быть достаточно прочной и жесткой при наименьшей массе, обладать высокой надежностью и необходимой технологичностью в производстве, быть достаточно коррозионностойкой, способствовать повышению проходимости машины и понижению ее центра тяжести, позволять наиболее удобно и экономно размещать и закреплять все монтируемые на ней агрегаты и узлы, а также допускать значительные ходы подвески.

Несущие системы колесных машин должны также допускать поворот управляемых колес на большие углы. Кроме общих требований к несущим системам отдельных типов ТС могут предъявляться дополнительные (специальные) требования. Например, необходимо, чтобы кузова легковых автомобилей имели форму, создающую минимальное сопротивление воздуха во время движения, и способствовали обеспечению безопасности и комфорта для водителя и пассажиров, а корпуса военных бронированных машин были пуле- и снарядостойкими.

Различают следующие типы несущих систем ТС: рамы, корпуса, кузова, металлоконструкции прицепов и полуприцепов.

Рамы в качестве несущих элементов используются в основном на грузовых автомобилях общетранспортного и многоцелевого назначения, колесных тягачах и длиннобазных шасси, а также на тракторах и ТС со специальными движителями. Кроме того, рамы имеют некоторые автобусы, гусеничные транспортеры, тягачи и легковые автомобили высшего класса. Рамы относительно просты по конструкции, технологичны в производстве и ремонте, универсальны (например, на одну и ту же раму можно установить различные кузова).

По конструкции рамы подразделяются на три типа: лонжеронные, хребтовые и комбинированные.

Наиболее широко распространены лонжеронные рамы (рис. а—в), состоящие из двух продольных балок (лонжеронов), нескольких поперечных балок (траверс), местных усилителей (там, где это необходимо) и переходных элементов (косынки, накладки и др.).

Лонжероны чаще всего представляют собой тонкостенные балки открытого поперечного сечения. Типичными сечениями являются швеллер (см. рис. а), двутавр и Z-образный профиль (рис. в). Иногда лонжероны имеют замкнутый профиль поперечного сечения (прямоугольник или квадрат). У наиболее распространенных лонжеронов швеллерного типа отношение высоты поперечного сечения к ширине полки составляет 2,8…3,5, а толщина стенки — 5… 10 мм. Балки лонжеронов обычно штампуют из стального листа, реже выполняют из стандартного проката.

Штампованные лонжероны легче и могут иметь переменный профиль по длине рамы (см. рис. а), благодаря чему достигается их повышенная равнопрочность. У большинства рам грузовых автомобилей наибольшее сечение лонжерона находится в средней части, а наименьшее — по краям.

Рис. Конструкции лонжеронных (а, в), хребтовых (г) и комбинированных (д, е) рам

Поперечины, соединяющие лонжероны друг с другом, перпендикулярны к ним (см. рис. а, в) или имеют в плане Х-образную форму (см. рис. б). Их сечения могут быть открытыми или замкнутыми. Как и лонжероны, поперечины обычно штампуют из стального листа и устанавливают по мере возможности регулярно в местах крепления кронштейнов рессор, двигателя и топливных баков, в местах установки оси балансирной тележки и т. д. В рамах автомобилей общетранспортного назначения высота профилей поперечин близка к высоте лонжеронов, что приближает эти конструкции к рамам плоского типа. С увеличением грузоподъемности ТС высота профилей лонжеронов существенно возрастает. Для установки агрегатов используются объемы, заключенные между лонжеронами в пределах их высоты. Поперечины в этом случае уже не выполняются равновысокими с лонжеронами. Размеры сечений поперечин существенно уменьшаются, а их число увеличивается (см. рис. в).

Лонжероны с поперечинами соединяются преимущественно с помощью клепки в холодном состоянии, реже — сварки. Сварные рамы более жесткие. Их недостатками являются сложность ремонта и наличие после сварки остаточных напряжений. Поперечины крепятся к полкам или стенкам лонжеронов. Возможно также их крепление и к полкам, и к стенкам одновременно.

Хребтовые рамы могут быть разъемными и неразъемными. Чаще всего применяются разъемные рамы. Они имеют одну центральную продольную балку, обычно трубчатого сечения (рис. г). Эта балка составлена из картеров агрегатов трансмиссии (коробка передач, главные передачи) и патрубков, соединяющих эти картеры. Патрубки и картеры соединяются друг с другом с большой точностью при помощи призонных шпилек и болтов. Кроме центральной продольной балки хребтовая рама имеет поперечно расположенные кронштейны с лапами, служащими опорами для крепления кабины, грузовой платформы, двигателя и других агрегатов.

Хребтовые рамы имеют следующие преимущества по сравнению с лонжеронными: меньшая масса и материалоемкость машины, так как картеры агрегатов трансмиссии используются в качестве несущих элементов; более высокая крутильная жесткость, что особенно важно для эксплуатируемых в тяжелых дорожных условиях полноприводных многоосных автомобилей; возможность на основе одних и тех же агрегатов и узлов создавать автомобили с разным числом осей и различной базой. К недостаткам таких рам относятся затрудненный доступ к механизмам трансмиссии при обслуживании и ремонте, необходимость использования высокопрочных легированных сталей, повышенная коцструктивная сложность трансмиссии и подвески, высокие требования к точности изготовления и сборке.

Комбинированные рамы (рис. д, е) содержат элементы как лонжеронных, так и хребтовых рам, т. е. имеют центральную балку, лонжероны и поперечинй. Центральная балка обычно располагается в средней части рамы, а.лонжероны с поперечинами — по краям.

Корпуса в качестве несущих систем применяются чаще всего на гусеничных транспортерах и тягачах, бронированных колесных и гусеничных машинах, а также на .амфибийных машинах. Существует большое разнообразие конструкций корпусов. Они различаются по размерам, форме, применяемым материалам, способам соединения элементов корпуса и другим параметрам. Конструкция корпуса зависит от назначения машины, области ее применения, типов сухопутного и водоходного (у амфибийных машин) движителей и т. д.

Корпуса могут быть открытыми и закрытыми. У открытых корпусов профиль поперечного сечения открытый (корытообразный), у закрытых — замкнутый. По конструктивной схеме различают корпуса с несущей рамой и несущие.

Корпуса с несущей рамой применяются на колесных машинах, обладающих плавучестью. У них все основные нагрузки воспринимаются рамой (к ней крепятся все агрегаты и движители), а сам корпус, обеспечивая машине герметичность, плавучесть и остойчивость, испытывает лишь гидростатические и гидродинамические воздействия при движении по воде. Несущий корпус представляет собой единую пространственную несущую конструкцию, воспринимающую все нагрузки.

Несущие корпуса подразделяются на два типа:

Бескаркасные корпуса применяются там, где сама обшивка обеспечивает необходимую прочность и жесткость. Такие корпуса представляют собой жесткие сварные коробки из толстых стальных листов. Ими оборудуют бронированные, а также некоторые небронированные машины малой и средней грузоподъемности. Весьма перспективный материал для несущих бескаркасных корпусов — трехслойные панели типа «сандвич». Внешние, слои таких панелей образованы из тонких листов достаточно плотного материала (обычно алюминиевые сплавы или стеклопластик); внутренний, более широкий слой выполнен из материала с малой плотностью (пенополиуретан). Корпус, изготовленный из панелей типа «сандвич» и отличающийся малой массой в сочетании с высокой прочностью и жесткостью, способен эффективно уменьшать вибрацию и противостоять коррозии.

Несущий корпус каркасного типа включает в себя пространственный стержневой каркас и тонкую листовую обшивку. Каркас состоит из продольных и поперечных балок, вертикальных и наклонных стоек, раскосов и т.д. Элементы каркаса выполняются, как правило, из тонкостенных гнутых профилей и труб круглого или прямоугольного сечения. Листы обшивки приваривают снаружи к элементам каркаса, обеспечивая корпусу герметичность и необходимое водоизмещение (у амфибийных машин). Для увеличения местной жесткости обшивочные листы могут иметь зиги.

Кузова в качестве несущих систем применяются на легковых автомобилях и автобусах. Их конструкции весьма сложны и многообразны. Кузова, как правило, сочетают в себе пространственный каркас, выполненный из штампованных стальных элементов, и обшивку в виде тонкостенных разнопрофильных оболочек. Соединение элементов кузова осуществляется чаще всего с помощью точечной сварки.

По назначению кузова подразделяют на:

• грузовые
• пассажирские
• грузопассажирские
• специальные (для размещения различного мобильного оборудования)

По характеру воспринимаемых нагрузок различают следующие типы кузовов: несущие (без рамы), полунесущие (они жестко соединены с рамой и воспринимают часть нагрузки, действующей на ТС) и разгруженные (с рамой соединены не жестко, а через упругие прокладки).

В зависимости от типа ТС применительно к кузовам может использоваться и другая классификация. Например, по общей структуре и визуальному восприятию кузова легковых автомобилей могут быть одно-, двух- и трехобъемными.

Металлоконструкции прицепов и полуприцепов имеют сходство с рамами, У прицепов малой и средней грузоподъемности рамы, как правило, плоские. Прицепы, предназначенные для перевозки тяжеловесных грузов (трейлеры), имеют низкую грузовую платформу. Их металлоконструкции чаще всего выполняются пространственными. Полуприцепы имеют рамы глагольного типа (ступенчатые). Это связано с необходимостью понизить уровень грузовой платформы при относительно высоком расположении тягово-сцепного устройства.

Для изготовления рам используют в основном углеродистые и низколегированные стали. Они относительно дешевы и более технологичны в производстве, чем высоколегированные. Кроме того, эти стали легче поддаются гибке и холодной штамповке. Низколегированные стали свариваются хуже, чем углеродистые, и поэтому применяются главным образом в клепаных конструкциях.

Корпусные несущие системы изготавливают из разнообразных материалов, чаще всего из углеродистых сталей. Могут использоваться также легкие сплавы (например, алюминиевые) и пластмассы, которые, уменьшают массу корпуса и повышают его коррозионную стойвдсть.

Для изготовления кузовов легковых автомобилей и автобусов массовых моделей применяются в основном низкоуглеродистые специальные стали. Детали кузова (крылья, арки колес, днище), подверженные сильной коррозии, часто выполняют из оцинкованной стали. В последнее время для изготовления кузовов автомобилей все шире используютря алюминиевые сплавы и пластмассы.

Металлоконструкции прицепов и полуприцепов собирают преимущественно с помощью сварки, что обусловливает выбор материалов для их изготовления. В этом случае чаще всего используют углеродистые стали.