Рамная конструкция кузова

Рамная конструкция кузова

У автомобиля, как и у человека, имеется свой скелет. Именно к нему прикрепляются все навесные системы и элементы. Называется такой каркас несущей системой автомобиля. Эти системы бывают рамными или безрамными. Чем же они отличаются?

Типы несущих систем

В основе рамных несущих систем лежит жесткая стержневая конструкция, в которой элементы соединены между собой во всех или нескольких узлах. Именно к этой отдельной раме в дальнейшем прикрепляются все основные системы автомобиля (двигатель, рулевое управление и т.д.). Кузов тоже может крепиться к раме. Такая система характерна для грузовых автомобилей, тракторов и внедорожников.

В безрамных системах функцию опоры выполняет сам кузов, т.е. становится несущим. Такие системы сложны в изготовлении, обслуживании и ремонте. Тем не менее, они часто используются для современных легковых автомобилей и минивэнов.

В рамно-кузовных системах рама и кузов представляют собой единую конструкцию. Нагрузки распределяются между рамой и каркасом кузова. Эта система проста в изготовлении и обслуживании.

Устройство рамы
Рама – это самая тяжелая часть автомобиля. В среднем масса рамы составляет около 15% от общей массы машины. Рама должна быть прочной, одновременно крепкой и легкой, обладать высокими технологическими качествами. Основные детали рамы – это две продольные балки, соединенные поперечными. Количество балок меняется в разных марках машин. Рамы часто изготавливают переменной ширины: в зоне двигателя чуть шире, а в зоне заднего моста уже. Наиболее распространены клепаные рамы. Они просты в изготовлении и наиболее технологичны. При мелкосерийном производстве возможно болтовое соединение. Бывают и цельносварные рамы, использование которых целесообразно для тяжелой дорожной техники. К отдельной раме кузов обычно крепится за счет кронштейнов на болтах с толстыми резиновыми прокладками, которые нужны для уменьшения уровня вибраций, получаемых кузовом.

Основные виды рам

Рамы классифицируют в зависимости от типа несущей структуры.

Лонжеронные. По своей конструкции эти рамы похожи на обычную лестницу. Поэтому иногда можно встретить название «лестничная рама». Состоят такие рамы из продольных балок (лонжеронов) и поперечин. Применяются почти во всех грузовиках.

Переферийные. У этих рам лонжероны в центральной части значительно раздвинуты. При установке кузова они оказываются за порогами дверей. Это позволяет значительно опустить пол кузова и уменьшить общую высоту автомобиля. Такая конструкция повышает безопасность при боковом столкновении. Этот тип рамы использовался в советских автомобилях ЗИЛ.

Хребтовые. Главный элемент такой рамы – центральная трансмиссионная труба. Конструкция используется в автомобилях с независимоей подвеской обеих осей. Преимущество хребтовой схемы – повышенная крутильная жесткость. Однако ремонт крайне затруднен, поэтому используют этот вид редко, лишь на грузовиках улучшенной проходимости.

Решетчатые. Еще их называют трубчатыми и пространственными . Они представляют собой систему из очень тонких труб, легких, но при этом жестких на кручение. Такие рамы используют в спортивных и гоночных автомобилях.

История появления рамных конструкций

Идея использовать раму в качестве несущей конструкции возникла еще в самом начале развития автомобилестроения. В конных экипажах каркас кузова был деревянный, но для автомобиля его прочности было бы недостаточно. Поэтому первые автомобильные рамы делались по аналогии с железнодорожным транспортом.

Впрочем, рамы сначала тоже изготавливали из твердого дерева и лишь иногда из металлических труб.

В 20-е годы чехословацкая фирма «Татра» придумала хребтовую раму и применила ее на ряде своих моделей. Однако эта инновация использовалась лишь в Чехословакии и не нашла реализации в других странах.

Примерно в это же время машиностроители предложили пространственную раму. Аналогию они провели с конструкцией лодочного корпуса. Первый автомобиль с такой рамой — это Lancia Lambda 1922 года.

Американская компания «Оберн» (Auburn) в те же годы разработала лонжеронную раму с Х-образной поперечиной. Она соединила в себе относительную легкость и повышенную крутильную жесткость.

Некоторые довоенные автомобили оснащались сильно облегченной рамой. Она хоть и была отделена от кузова, но самостоятельно выдержать всех нагрузок не могла. Поэтому часть из них все равно приходилась на кузов. Пример автомобиля с такой системой – Ford Prefect.

Уже после Второй Мировой войны популярность приобретает несущий кузов. Однако не все фирмы-производители стремились перейти на производство автомобилей с таким типом каркаса. Ведь при рамной конструкции можно было менять дизайн кузова, в то время как рама оставалась в том виде, в каком и была. В случае с несущим кузовом автомобиля изменение дизайна становилось очень сложной и дорогостоящей задачей.

Рамы легковых машин и внедорожников с 70-х годов до нашего времени практически не изменились. Определенную эволюцию прошла лишь технология их производства. Например, появился метод штамповки эластичными средствами (обработка металлов давлением). Однако используют сами рамы сейчас значительно реже, чем в 70-е. В основном ими оборудуются большие пикапы и внедорожники.

Преимущества и недостатки

В современных легковых автомобилях предпочтение отдано несущему кузову. Это происходит в силу ряда причин. Несмотря на явные преимущества (простая конструкция, упрощенная сборка автомобиля на заводе, легкий ремонт), у рамного кузова есть и существенные недостатки. Во-первых, при разделении функций кузова и рамы, приходится значительно увеличивать массу. Во-вторых, лонжероны, которые проходят под кузовом, забирают у пассажирского салона значительную часть. Пороги оказываются большими, а это затрудняет посадку в автомобиль. В-третьих, у рамных автомобилей уровень пассивной безопасности значительно ниже, ввиду возможности смещения рамы относительно кузова при ударе. В-четвертых, плоская рама уступает несущему кузову по показателю жесткости на кручение.

Таким образом, так как легковой автомобиль должен быть и комфортным и безопасным, несущий кузов для него стал незаменим. В тех же автомобилях, которым необходимо работать в сложных условиях, используют только рамные конструкции.

В чем прелесть рамных автомобилей и какими они бывают

Все знают, что настоящий крутой внедорожник должен быть рамным, иначе это не внедорожник вовсе, а кроссовер. А, собственно, почему? Мы выяснили, по какой причине конструкторы автомобилей пришли к рамным схемам и как такие конструкции развивались с годами.

Как собрать воедино все агрегаты самобеглой коляски, обеспечив их точное взаиморасположение при любых условиях движения? Первые автоинженеры об этом долго не думали. Все было уже придумано до них, и варианты были перед глазами: или несущий «кузов» телеги и кареты, или рамная конструкция паровоза и прочего железнодорожного транспорта. Тогда вопрос был решен в пользу рам, а сегодня автомобили с традиционной рамной конструкцией встречаются довольно редко. Хотя элементы рамной схемы использует большинство современных серийных машин.

Что такое рама?

В общем понимании рама (в терминологии первой половины прошлого века — остов) — это пара лонжеронов из металлического профиля, соединенных несколькими поперечинами. Рама служит основой, силовым каркасом, на который «навешиваются» кузов, силовой агрегат, элементы подвески и т.д.

«Остов» автомобиля начала века, фото: Wikipedia.org

Почему конструкторы выбирали раму?

1. Несущий кузов был или недостаточно жестким, или слишком тяжелым — сказывался тогдашний низкий уровень технологий.

Важная особенность рамной конструкции, плоской по сути, заключается в низком сопротивлении кручению по сравнению с несущей конструкцией коробчатого по своей сути кузова. На протяжении всей «рамной эпохи» этот вопрос решали двумя способами — увеличивая толщину металла и количество поперечин или меняя характеристики самого металла.

Проблема в принципе оказалась решаемой, тем более не всегда низкая сопротивляемость кручению вредила автомобилям. Так, в массовом советском грузовике ЗИС-5 «эластичная» рама («перепады» между диагонально противоположными концами рамы могли достигать 3-4 см) значительно повышала проходимость трехтонки, не позволяя на ухабах колесам вывешиваться. Потеря контакта колеса ведущего моста с дорогой чревата остановкой машины из-за «ухода» крутящего момента на поднявшееся колесо, поэтому трехтонка ЗИС ценилась на фронтовом бездорожье в период Великой Отечественной.

2. На одной и той же платформе можно было продавать множество моделей автомобилей под разные запросы клиентов.

Это сейчас термин «платформа» понимают как некую общность деталей двух разных авто. В первой половине ХХ века технология работала буквально.

Многие автомобили продавались в виде шасси — рамы со всеми агрегатами ходовой части вплоть до руля и педалей, а кузов клиент уже сам заказывал специализированному ателье. В итоге покупатель, обладая достаточным количеством финансов, мог позволить себе абсолютно эксклюзивный авто с полностью серийной агрегатной базой. Сейчас такое уже, увы, невозможно.

«Остов» автомобиля начала века, фото: Wikipedia.org

Эволюция рамы

Изначально для изготовления остова применялись твердые породы дерева, реже —металлические трубы. В 1910-х годах на грузовых автомобилях уже стали внедрятся рамы с привычным нам открытым профилем.

Лонжеронные рамы

В английской терминологии этот вид рам часто называют лестничным из-за внешней схожести с одноименным предметом. Два продольных лонжерона чаще всего выполнены из открытого профиля. Форма поперечных балок бывает разной (К-образные, Х-образные, перпендикулярные), а фрагменты рам могут соединяться между собой при помощи сварки (преимущественно легковые автомобили), заклепок (грузовики) или даже болтов (штучные экземпляры).

Лонжеронная рама, фото: Wikipedia.org

Сегодня клепаные рамы чаще всего применяются на пикапах и грузовых автомобилях. К лонжеронным рамам некоторые инженеры также относят и Х-образные рамы, которые значительно легче (на них построена вся американская классика 50-х, а также советские «Чайки» — ГАЗ-13 и ГАЗ-14). Главное преимущество лонжеронной рамы — простота конструкции и технологичность. Главные же недостатки — большой вес и громоздкость, что отрицательно сказывалось на полезном пространстве внутри машины.

Хребтовые рамы

История хребтовых (центральных) рам началась в 20-х годах ХХ века в Чехии. Конструкторы автомобилей марки «Татра» первыми разработали и внедрили новую схему в свои автомобили. Главный элемент конструкции — труба, соединяющая картер заднего ведущего моста с силовым агрегатом и трансмиссией. Внутри этой несущей на себе всю нагрузку трубы расположен вал без карданного шарнира, передающий крутящий момент с двигателя на колеса. То есть соединение, в отличие от всех современных задне- и полноприводных автомобилей, было жестким.

Как показал опыт эксплуатации, основными преимуществами хребтовой рамы являются высокая крутильная жесткость и возможность легко создавать многоосные полноприводные конструкции. Основным недостатком считается трудный доступ к встроенным в раму агрегатам.

Хребтовые рамы в свое время применялись на легковушках, а сегодня успешно применяются как раз на грузовиках-вездеходах марки «Татра». Достаточно сказать, что на такой машине «Татра» Карел Лопрайс, выступая в марафоне Париж — Дакар, за 14 лет (с 1988 по 2002 год) шесть раз становился чемпионом в классе грузовиков и четырежды завоевывал серебро.

Грузовой автомобиль «Татра»

Вильчато-хребтовые рамы

И снова Чехия… Вильчато-хребтовые рамы появились впервые перед Второй мировой на автомобилях родом из этой страны — «Шкодах» и «Татрах». Иногда вильчато-хребтовые рамы называют видом хребтовых рам. Главная особенность данного вида в том, что передняя и задняя части представляют собой трезубцы, образованные центральной трубой каркаса и отходящими от нее двумя лонжеронами, которые используются для крепления узлов и агрегатов.

В отличие от автомобилей с хребтовой рамой, в машинах с вильчатой конструкцией используется обычный карданный вал, а картеры мостов и двигателя не являются единым целым с центральной трубой. Яркими носителями этой конструкции являются довоенные «Татра-77» и «Татра-87». Это были революционные для своего времени комфортабельные автомобили: они отличались одновременно крайне низким для 30-х годов прошлого века коэффициентом лобового сопротивления (0,34), умеренным «аппетитом» и неважной управляемостью, вызванной заднемоторной компоновкой. Сегодня вильчато-хребтовые рамы в автомобильной промышленности не используются.

Периферийные рамы

Они являются следующим витком эволюции лонжеронных рам и нашли массовое применяться на американских «дредноутах» и крупных европейских легковых авто (к примеру, Opel Admiral) первой половины 60-х, по этому же принципу созданы все советские представительские лимузины, начиная с ЗИЛ-114.

Лонжероны в данной конструкции разнесены так широко, что при установке кузова они оказываются возле самых порогов. Вывод массивных элементов рамы к бортам автомобиля позволил конструкторам заметно понизить уровень пола в машине и уменьшить высоту самого автомобиля.

Главными плюсами периферийной рамы считаются высокая стойкость конструкции к боковым ударам, а также лучшая приспособленность к конвейерной сборке. Главный же ее недостаток заключается в том, что такая рама не может сама воспринимать все нагрузки, поэтому кузов автомобиля должен быть более прочным, жестким, что сказывается на его весе.

До недавних пор (до 2012 года) с таким типом рамы выпускался комфортабельный седан Ford Crown Victoria, ставший символом американского такси и полицейского автомобиля 1990-2000-х годов. Инженерам удалось достигнуть удивительных показателей комфорта, в том числе благодаря применению особых резиновых демпферов, через которые кузов крепился к раме.

Ford Crown Victoria

Пространственные рамы

Пространственные или трехмерные рамы впервые появились в большом автоспорте в 20-х годах прошлого века. Они чаще всего создавались из тонких труб (изготавливавшихся с применением легированных сталей, изделиям из которых несвойственно кручение).

Вообще, трубные конструкции с трудом переносят нагрузки на изгиб. Поэтому, конструкторы стремились всегда к тому, чтобы трубы нагружались только на сжатие или растяжение, но не «на излом». Сегодня в автоспорте пространственные рамы уступили место монококам, но обрели вторую жизнь в автобусостроении. Кстати, до начала 2000-х годов все минивэны Renault Espace были построены именно на пространственной раме — трубчатый каркас обшивали кузовными панелями. Ради безопасности и удешевления производства от этой схемы отказались.

Пространственная рама Mercedes-Benz 300SL Coupe (Gullwing) W198 (1954)

Несущее днище

Несущее основание автомобиля — это промежуточный этап между рамной конструкцией и несущим кузовом. В этом варианте рама объединяется с полом кузова. Самым массовым и самым известным обладателем несущего днища является германский «Фолькваген Жук», у которого кузов крепился к плоской панели пола на болтах. Также по схожему принципу выполнен другой массовый автомобильчик из соседней Франции — Renault 4СV аналогичной с «Жуком» заднеприводной компоновки.

Такая конструкция достаточно технологична при крупносерийном производстве, и притом удается обеспечить низкий центр тяжести машины и низкий уровень пола в салоне. У большинства современных автобусов днище также является несущим, только кузов к нему приваривается, а не прикручивается.

Гибридные конструкции

Конец 40-х годов ознаменовался массовым переходом автопроизводителей на несущие кузова. Но переход был постепенным, и многие автомобили с новомодными на тот момент понтонными кузовами имели элементы рамных конструкций. Чаще всего рамы, выполненные на половину длины машины, служили для установки силового агрегата. В этом плане характерной является конструкция ГАЗ -21 «Волга» (1955 г.).

Хоть ее кузов и был уже типичным цельнонесущим, спереди у нее имелся полноценный подрамник. Вваренный в пол, он имел вид двух лонжеронов, тянущихся от переднего бампера до зоны ног передних пассажиров. Впрочем, интеграция рам в тело кузова (или, если хотите, «обрастание» кузова элементами рам) — это уже другая тема, которой мы посвятим следующую статью.

Читайте также:

Для комментирования вам необходимо авторизоваться

Так в чем же прелесть рамных автомобилей? Привел нарезки известных фактов, абсолютно бессистемно. А ведь суть этого соревнования компоновочных схем — борьба долговечного и технологичного. И бизнес принял сторону технологичного — больше продаж — больше дохода. Какому автопроизводителю нужно что его авто служило 40 и более лет.

Так в чем же прелесть рамных автомобилей? Привел нарезки известных фактов, абсолютно бессистемно. А ведь суть этого соревнования компоновочных схем — борьба долговечного и технологичного. И бизнес принял сторону технологичного — больше продаж — больше дохода. Какому автопроизводителю нужно что его авто служило 40 и более лет.

Не распространяйте мифы !

Производитель сделал выбор между более дешёвым в производстве (рамой) и более безопасным (несущим кузовом), пойдя при этом на огромные затраты на совершенствование производственной оснастки чтобы вписаться в новые стандарты безопасности. И выбрал то, что проходит краш-тесты ЕвроНкап и НХТСА не только в ослабленном варианте для грузовиков, как отдельная рама ! Срок же службы автомобиля уже давно во всём мире кроме Кубы определяется его моральным устареванием, а не сроком, за который несущая система теряет свои свойства.

Поверьте, я хорошо знаю старые американские рамные легковые автомобили, Panther platform и т.д. И то, что автохлам с полностью сгнившим ниже стоек кузовом всё ещё как-то перемещается в пространстве благодаря тому, что рама сдерживает бренные останки от полного распада — отнюдь не достижение !

Такой рамы, как на УАЗе, о которой обычно думают джиперы — с металлом 7 мм толщиной, на которой всё держится — на легковых автомобилях не бывает уже лет 40. 50, с конца 60-х — начала 70-х годов. Одними из последних таких легковушек были «Роллс-Ройс-Сильвер-Клауд» и «Империал», выпуск обоих был прекращён в 1966 году. Оба были крайне неуклюжими автомобилями, с высоким полом и низким из-за проходящих под ним лонжеронов рамы салоном !

Рама той же «Краун Вики» или «Тойоты-Краун» — это просто большой подрамник, на который навешаны агрегаты для удобства сборки. На более новых машинах его разделили на передний и задний подрамники, а суть не изменилась !

Что такое рамный внедорожник?

Как мы уже писали ранее на нашем сайте Vodi.su, основные отличия между внедорожником и кроссовером состоят в наличии полного привода, раздаточной коробки с понижающей передачей, межосевого или междуколесного отключаемого дифференциала, а также в наличии у настоящего внедорожника несущей рамы.

Отсюда и возникает вопрос, который будет рассматриваться в данной статье, — что же такое рама и рамный внедорожник?

Рама автомобиля — устройство и предназначение

На сегодняшний день наиболее распространенными являются следующие типы кузовных конструкций:

• рамные;
• с несущим кузовом;
• с интегрированной рамой.

Разница между ними существенная.

1. В первом случае рама является остовом автомобиля и к ней крепятся все остальные составные части: подвеска, сам кузов, все агрегаты.
2. Во втором случае кабина и выполняет роль рамы и все узлы и агрегаты крепятся к ней. Автомобили с интегрированной рамой отличаются от рамных тем, что рама намертво интегрирована с кузовом, то есть это такой себе компромисс между двумя предыдущими типами.

Есть несколько типов рамы автомобиля:

• лонжеронные — рама состоит из лонжеронов, — соединенных сваркой, болтами или заклепками, — и поперечин между лонжеронами;
• хребтовые — основанием рамы является трансмиссионная труба, к которой уже крепится все остальное;
• вильчато-хребтовые — к трансмиссионной трубе крепятся вилки из лонжеронов для установки на них силовых агрегатов;
• несущее основание — рама объединена с полом автомобиля, в результате получается несущая платформа, на которую крепятся кабина, агрегаты, подвеска.

Для уменьшения веса спортивных автомобилей применяются трубные или решетчатые рамы, сваренные из легких труб. Такая рама напоминает решетку, из-за чего и получила свое название.

Каждый из данных типов рам делится на большое количество подвидов, практически любой производитель старается внести что-то своё в конструкцию.

Например лонжеронные рамы бывают Х-образными, поперечными, лестничными, Х-образно-поперечными и так далее. Стоит также отметить, что большинство внедорожников строятся именно на основе лонжеронных рам.

Рама является самой тяжелой частью любого автомобиля, на нее приходится примерно 15-20 процентов веса. Именно поэтому рамные внедорожники могут весить до трех с половиной тонн, а то и больше, тогда как тенденция сегодня такова, что производители стараются максимально снизить общий вес автомобиля.

К раме современных автомобилей, в том числе и внедорожников, выдвигается целый ряд требований:

• прочность — она должна выдерживать различные нагрузки на сгибание, кручение;
• жесткость — в процессе эксплуатации она обеспечивает неизменное положение всех узлов, закрепленных на ней;
• легкость — от данного параметра зависит уровень расхода топлива, а также издержки на производство автомобиля;
• ремонтопригодность;
• технологичность — простота в производстве и обслуживании.

Таким образом, основное предназначение рамы внедорожника:

• принимать на себя и распределять нагрузку;
• сохранять неизменное расположение агрегатов, элементов кузова, соосность осей и карданов;
• передача усилий от рулевого механизма, тормозной системы, осей к общей массе автомобиля.

Плюсы и минусы рамной конструкции

Первые автомобили имели именно рамную конструкцию. С тех времен много чего изменилось, но от несущей рамы, как мы видим, инженеры не отказались.

В чем же ее преимущества?

Прежде всего, она достаточно проста в производстве, инженерам значительно проще рассчитать устройство и конструкцию рамы, а также ее характеристики. Тогда как создание автомобилей с несущим кузовом требует использования более сложных методов расчета.

Второе важное качество — комфорт самих пассажиров. Это достигается за счет эластичных соединений и резиновых амортизаторов, типа подушек из армированной резины. У рамных внедорожников звукоизоляция и виброизоляция лучше, поскольку все нагрузки от подвески передаются на раму и гасятся системой амортизации.

В-третьих, рама значительно расширяет возможности по тюнингу и изменению формы автомобиля. Ее можно без проблем удлинять или укорачивать, для этого достаточно установить более короткие лонжероны, или наоборот добавить поперечины (при наличии соответствующих инструментов и навыков). Кроме того, на одну и ту же раму можно устанавливать разные кабины и типы кузова.

Рамные автомобили меньше подвержены коррозии (удивительно, но это так). Вся причина в том, что здесь меньше скрытых плоскостей, а сама рама лучше проветривается.

Ее легче обработать антикоррозийными средствами. Ну и не забывайте, что раму собирают из более прочного металла, а поперечины и лонжероны имеют большую толщину.

Есть, конечно, и целый ряд недостатков:

• значительное увеличение массы со всеми вытекающими последствиями — больше расходуется топлива, требуется более мощный двигатель, меньшая скорость;
• лонжероны «съедают» часть полезного пространства, соответственно менее комфортный салон, отсюда и значительные размеры рамных внедорожников;
• рама уступает несущему кузову по жесткости на кручение — вы наверно замечали, что скрутить, к примеру, лист грубого картона легче, чем картонную коробку;
• худшая пассивная безопасность из-за возможности срыва кабины с креплений и дальнейших деформаций.

Самые популярные рамные внедорожники

Понятно, что ничего идеального нет и каждый сам решает, чем ему жертвовать при покупке того или иного автомобиля. Тем не менее, рамные внедорожники всё ещё колесят по нашим дорогам.

Отечественные — все внедорожные модели УАЗ: УАЗ 469, УАЗ Хантер, УАЗ Патриот, УАЗ 3160. Действительно, УАЗики смогут проехать везде. Правда, если вспомнить первые модели, то комфортностью они не отличались. Более современные вполне могут соревноваться с лучшими образцами иностранных внедорожников, но экономностью они, к сожалению, не отличаются.

Сравнение некоторых моделей по устойчивости у фронтальным ударам. (шкала от 1 до 10)

Toyota — в статье про японские кроссоверы и внедорожники на Vodi.su мы перечисляли все рамные внедорожники данной компании: Лэнд Крузеры, Тундра, Секвойя, Hilux — всё это рамные внедорожники.

К самым дорогим внедорожникам с рамой можно отнести G, GL, GLA и GLK классы от Mercedes. В принципе они все так и называются — Geländewagen, что значит «Внедорожник».

Автомобили М-класса тоже строятся на основе рамной конструкции.

Land Rover Defender, Jeep Wrangler, Volkswagen Amarok, BMW X1-X6, Opel Antara и Frontera, Dodge RAM, Ford Expedition. Даже довольно доступные китайские авто от Great Wall, или корейские SsangYong тоже являются рамными внедорожниками.

Источник https://www.drive2.ru/b/1791540/

Источник https://www.kolesa.ru/article/v-chem-prelest-ramnyh-avtomobilej-i-kakimi-oni-byvajut-2014-11-18

Источник https://vodi.su/ramnyie-vnedorozhniki/