Рама автомобиля

Под автомобильной рамой понимается вид несущей системы балочной конструкции, который в настоящее время используется на легковых автомобилях повышенной проходимости, некоторых моделях спортивных автомобилей и грузовых автомобилях.

Автомобильные рамы работают при высоких нагрузках и являются ответственной частью автомобиля. Вес рам грузовых автомобилей с буферами и кронштейнами в сборе составляет до 10— 15% от собственного веса. Верхний предел относится к автомобилям большой грузоподъемности, в рамах которых применяют прокатные профили.

  Для изготовления автомобильных рам применяют различные стали. Выбор марки стали диктуется рядом соображений, основные из которых определяются эксплуатационными и технологическими требованиями. Для удовлетворения эксплуатационным требованиям сталь должна обеспечивать конструкциям рам необходимую прочность в течение всего срока эксплуатации. Для удовлетворения технологическим требованиям сталь должна допускать изготовление рам и всех ее деталей с применением современных методов производства. Сталь должна обладать достаточной пластичностью, иметь стабильные механические свойства, хорошо свариваться.

  Теоретические и экспериментальные исследования в области циклической прочности рам грузовых автомобилей показали, что наиболее опасные напряжения и выходы из строя автомобильных рам являются следствием кососимметричных нагрузок, возникающих при кручении несущей системы автомобиля.

  До настоящего времени в практике проектирования автомобильных рам грузовых автомобилей не утвердилась практика выполнения прочностных расчетных обоснований для вновь создаваемых конструкций. Проектирование ведется в основном по прототипам с учетом проводимого расчета на изгиб от статической нагрузки с подбором оптимальной величины запаса прочности. Доводку конструкции рам частично производят в стендовых и полигонных условиях, но в основном переносят на стадию эксплуатационных испытаний. В то же время уже имеются результаты многочисленных исследований, посвященных разработке методов прочностных расчетов с использованием ЭВМ и методов ускоренных стендовых испытаний с моделированием характерных для эксплуатации режимов нагружения и управлением испытаниями с помощью ЭВМ. Они позволяют получать на стадии проектирования необходимую информацию о прочности и долговечности конструкции рамы.

  Преимуществами рамной конструкции несущей системы являются простота, низкая стоимость, восприятие значительных нагрузок, унификация базовых моделей автомобиле. Вместе с тем использование рамы приводит к увеличению массы автомобиля. При проектировании и изготовлении автомобильных рам представляет определенную сложность реализация зон запрограммированной деформации в передней и задней части, тем самым снижается уровень пассивной безопасности.

  К раме крепятся практически все узлы и агрегаты систем автомобиля: кузов, двигатель, трансмиссия, передняя и задняя подвески, системы управления и др. В совокупности они образуют шасси автомобиля.

  В зависимости от конструкции различают следующие основные виды рам: 

• лонжеронные,
• хребтовые или центральные,
• решетчатые или пространственные,
• комбинированные.

Самыми распространенными являются лонжеронные рамы. Лонжеронная рама объединяет две продольные балки (лонжероны) и, находящиеся между ними, поперечины.

  Лонжерон представляет собой металлическую балку открытого или закрытого поперечного сечения (закрытый короб, швеллер, двутавр), обладающую большой жесткостью на изгиб.

В зависимости от типа автомобиля лонжероны могут устанавливаться:

• параллельно в горизонтальной плоскости;
• под углом в горизонтальной плоскости;
• изогнутыми в вертикальной плоскости;
• изогнутыми в горизонтальной плоскости.

  Параллельная схема лонжеронной рамы применяется, в основном, на грузовых автомобилях. Остальные схемы используются на легковых автомобилях повышенной проходимости – внедорожниках. Расположение лонжеронов под углом позволяет добиться максимального угла поворота управляемых колес. Изгибы лонжеронов в вертикальной плоскости обеспечивают снижение центра тяжести, и соответственно низкий уровень пола в кузове автомобиля. Изогнутые в горизонтальной плоскости лонжероны понижают уровень пола в кузове, а также повышают уровень пассивной безопасности при боковом столкновении.

  Поперечины служат для придания жесткости конструкции рамы. Поперечины могут иметь прямолинейную, К-образную или Х-образную форму. Поперечины изготавливаются из гнутого металлического профиля.

   Лонжероны и поперечины между собой соединяются клепкой (грузовые автомобили) или сваркой (легковые автомобили). Для закрепления кузова, двигателя, агрегатов трансмиссии на раме установлены кронштейны различной формы. В теле лонжеронов и поперечин выполняются различные технологические отверстия.

Хребтовая рама состоит из продольной несущей балки и прикрепленных к ней поперечин. Центральная балка имеет, как правило, трубчатое сечение. Внутри балки располагаются отдельные элементы трансмиссии. Хребтовая рама обладает большей крутильной жесткостью по сравнению с лонжеронной рамой. Хребтовая рама предполагает независимую подвеску всех колес. Ввиду сложности конструкции хребтовая рама широкого распространения не получила и в настоящее время применяется редко.

Решетчатая рама применяется в конструкции спортивных автомобилей и автобусов. По своей сути она схожа с несущим кузовом. Решетчатая рама обеспечивает высокую жесткость на кручение при сравнительно небольшой массе.

Требования к несущим системам

Из основного назначения несущей системы - объединение в единое целое всех частей автомобиля - вытекают главные требования к ней - прочность и жесткость. Под прочностью понимают способность несущей системы воспринимать эксплуатационные на­грузки без поломок системы в целом или ее элементов, а под жесткостью - способность сохранять свою форму без остаточных деформаций и без недопустимых упругих деформаций при воздей­ствии тех же нагрузок.

В части прочностных свойств несущей системы наибольшее значение имеет усталостная прочность, поскольку она определяет срок службы системы, а часто и всего автомобиля, до предусмот­ренного нормативными документами на автомобиль капитального ремонта или списания. Таким образом, усталостная прочность (дол­говечность) несущей системы должна быть достаточной для обес­печения межремонтного или полного пробега автомобиля, но не должна быть слишком большой, поскольку это означало бы, что при конструировании в элементы несущей системы заложен из­лишний запас прочности, излишний материал, что сказалось бы на увеличенной массе, которую пришлось бы перевозить в течение всего срока службы автомобиля.

Статическая прочность несущей системы, ее способность восп­ринимать единовременные эксплуатационные нагрузки без поломок и остаточных деформаций, безусловно, должна быть достаточной, но в то же время при стандартных динамических воздействиях на автомобиль, имитирующих аварии (например, лобовое столкнове­ние), несущая система должна деформироваться таким образом, чтобы поглотить энергию удара и уменьшить динамические нагрузки до предусмотренных нормативными документами величин. С этой точки зрения деформация несущей системы и связанная с ней деформация кузова должна быть возможно большей, но в то же время внутри кузова должен сохраняться объем («пространство вы­живания»), достаточный для того, чтобы водитель и пассажиры травмировались в наименьшей степени и имели наибольшие шансы на сохранение жизни.

В части жесткости требования к несущим системам грузовых и легковых автомобилей существенно отличаются.

Жесткость кузова пассажирского автомобиля, легкового или ав­тобуса, должна быть возможно большей, чтобы кузов уверенно противостоял изгибам и перекосам.

К несущей системе грузового автомобиля, роль которой обычно играет рама, предъявляются иные требования. Если изгибная жест­кость рамы, т.е. способность противостоять изгибающим нагрузкам в вертикальной и горизонтальной плоскости, должна быть доста­точно большой, то крутильная жесткость, т.е. способность проти­востоять скручивающим нагрузкам при движении, например, по дороге с большими неровностями, напротив, не должна быть из­лишней. Конечно, имеются конструктивные возможности получить большую крутильную жесткость рамы, но это влечет за собой зна­чительное утяжеление конструкции в целом, поскольку в ее жестких узлах возникали бы высокие механические напряжения и, соот­ветственно, поломки. Относительно податливая на кручение рама деформируется без появления больших напряжений в ее узлах. К раме грузового автомобиля крепятся агрегаты и узлы, и в ряде случаев деформация рамы могла бы вызвать в корпусах этих агрегатов нежелательные нагрузки. Чтобы избежать этого, предусматривается упругое закрепление агрегатов, и они имеют крепление в трех точках. В этом случае перекосы рамы не могут вызвать соответствующих перекосов агрегатов. Таким образом закрепляется на раме грузового автомобиля, например, кабина или двигатель с коробкой передач. Выше упоминалось о том, что долговечность несущей системы должна соответствовать долговечности автомобиля в целом. При изготовлении деталей, входящих в несущую систему, чаще всего применяется низкоуглеродистая сталь, которая легко штампуется и сваривается. Но сталь подвержена коррозии. Кузов легкового автомобиля, например, выходит из строя обычно именно из-за коррозионного разрушения. Чтобы повысить долговечность несущей системы, предусматривается покрытие различными защитными со­ставами, которые предохраняют металл от воздействия влаги и солей. В ряде случаев для изготовления основания кузовов легковых ав­томобилей применяют оцинкованный металл или подвергают цин­кованию собранный кузов. Следовательно, одним из требований к несущей системе является ее достаточная стойкость к воздействиям окружающей среды.

Таким образом, требования к несущей системе во многом про­тиворечивы и требуют при ее конструировании высокого уровня инженерного искусства. При разработке конструкции несущей сис­темы и определении ее расчетной долговечности при движении автомобиля по различным дорогам применяются методы модели­рования напряжений в элементах конструкции.