Что такое рама автомобиля и какие виды бывают
Одним из важнейших элементов автомобиля является несущая система. Именно она дает возможность сделать из всех составляющих машины единое целое. Ранее все транспортные средства имели рамную конструкцию. Однако со временем она была вытеснена другими типами, в том числе несущим кузовом, который используется почти на всех легковых машинах. Тем не менее, рамная несущая часть все равно используется – на внедорожниках и грузовых авто.
Что такое рама автомобиля: назначение, плюсы и минусы
Рама автомобиля – балочная конструкция, которая выступает как основа для крепления всех узлов и агрегатов, таких как силовая установка, элементы трансмиссии, ходовой части и так далее. Кузов при такой конструкции несущей системы обеспечивает пространство для размещения пассажиров и багажа, а также выполняет декоративную функцию.
Применение рамы дает возможность дать несущей части высокую прочность. Поэтому ее используют в грузовиках и внедорожниках. Также она дает возможность максимальной унификации узлов и механизмов между моделями различных классов.
Ранее производители автомобилей выпускали шасси авто с базовыми частями (рамой, мотором, трансмиссией и т.д.), куда «натягивались» различные типы кузовов.
Рама в автомобиле выступает как «скелет». Она воспринимает все внешние и внутренние нагрузки при движении машины и даже при ее стоянке. Ввиду этого к автомобильной раме предъявляется ряд требований:
Рамная несущая часть обладает рядом преимуществ. Так, благодаря ей собирать машину и ремонтировать ее в дальнейшем становится значительно проще. Основное отличие рамной конструкции от кузовной в том, что любую поломку можно легко устранить благодаря хорошему специалисту и материалам. Еще одно важное достоинство: езда на плохих дорогах не будет чревата перекосами кузова (проемов дверей, стоек и т.д.).
Наряду с этим, есть и недостатки. Первый – существенное увеличение веса автомобиля ввиду наличия отдельных рамы и кузова. Соответственно, расход топлива также будет больше. Другой минус в том, что для размещения лонжеронов под кузовом нужно дополнительное место, что усложняет посадку в машину и отнимает существенную часть салона.
Также отмечается снижение пассивной безопасности, поскольку есть вероятность смещения рамы относительно кузова в случае удара. Поэтому несущий кузов – неотъемлемый элемент легкового автомобиля. В то же время рамная конструкция хорошо справляется с тяжелыми условиями, в которых ездят грузовые авто и внедорожники.
Виды рам
Рамы разделяются на несколько видов, отличающихся по конструктивным особенностям:
У некоторых видов имеются подвиды. Выделяются также комбинированные типы, сочетающие в конструкции составляющие разных типов рам.
Лонжеронная рама
Это самый распространенный вид. В конструкцию рамы входят две силовые продольные балки, которые называются лонжеронами. Они тянутся вдоль кузова и соединяются посредством поперечин. Балки выполняются из стали. С целью повышения показателей скручивания могут применяться различные виды профиля сечения.
Лонжероны необязательно ровные – иногда они имеют и вертикальные, и горизонтальные изгибы. Они могут располагаться как параллельно горизонтальной плоскости, так и под определенным углом, что присуще для внедорожников. Также возможно разное расположение поперечин, за счет которых соединяются лонжероны. На сегодня это наиболее популярная рамная конструкция, применяющаяся в большинстве грузовиков и внедорожников.
Такая рама отлично подходит для эксплуатации машины в условиях плохих дорог. Также она упрощает ремонт и сборку автомобиля. Минусы же в том, что лонжероны отнимают немалую часть салона и несколько усложняют процесс посадки.
Лонжеронная Х-образная
Х-образная рама – один из видов лонжеронной. Особенность ее конструкции в том, что лонжероны спереди и сзади разведены, а в центре – максимально сведены. Данный тип на вид похож на буку «Х», что и послужило причиной его названия.
Периферийная
Является видом лонжеронных рам. Этот вид начал активно использоваться на крупных легковых машинах европейского производства и «дредноутах» из США в 60-х годах. В таких рамах лонжероны расположены настолько широко, что в процессе установки кузова они располагаются у порогов. Это позволяет существенно снизить уровень пола, одновременно с этим уменьшив непосредственную высоту машины.
Важное достоинство подобной машины в ее максимальной приспособленности к боковым ударам. Однако есть существенный минус – рама не может выдержать значительные нагрузки, поэтому кузов авто должен обладать необходимой прочностью и жесткостью.
Хребтовая рама
Данный вид рам разработали представители компании «Татра» и преимущественно он применялся для машин ее производства. Главный несущий элемент – труба, соединяющая двигатель спереди с элементами трансмиссии, которые расположены внутри нее. По сути, труба выступает единым картером для коробки передач, раздаточной коробки и приводных валов. Крутящий момент от двигателя к трансмиссии поступает посредством помещенного в трубу вала. Причем данный вал не является карданным, что обеспечивает большую надежность.
Подобная конструкция рамы в сочетании с независимой подвеской колес обеспечивает очень большие хода, что делает ее незаменимой в транспортных средствах специального назначения.
Преимущество хребтовой рамы также заключается в том, что она имеет очень высокую жесткость на кручение, а элементы трансмиссии надежно защищены от внешнего воздействия. Но ввиду того, что определенные механизмы расположены внутри конструкции рамы, ремонтные работы заметно усложняются.
Вильчато-хребтовая
Вильчато-хребтовый тип рам тоже является разработкой «Татра». В таком варианте двигатель крепится не к трансмиссионной трубе, а на специальной лонжеронной вилке. Это сделано для того, чтобы сократить уровень передающихся вибраций от работающего ДВС на раму и, следовательно, на кузов автомобиля. Однако, на сегодняшний день вильчато-хребтовые рамы уже не применяются в автомобилестроении.
Пространственная рама
Самый сложный тип рамной конструкции, применяющийся для спортивных машин. Это конструкция представляет собой каркас на основе тонких легированных труб и имеет очень высокие показатели по жесткости и прочности. В автомобилестроении данные рамы были вытеснены монококами, однако, похожие конструкции используются при создании автобусов.
Несущее основание
Несущее основание – это что-то среднее между кузовом и рамной конструкцией. Тут также используются лонжероны, но они объединены днищем, а не поперечинами. Наиболее массовый и популярный обладатель несущего днища – «Фольксваген Жук», у которого кузов крепится к плоской панели пола посредством болтов. Аналогичную конструкцию имеет и другая машина массового производства – Renault 4СV.
Несущее днище отличается высокой технологичностью и применяется в крупносерийном производстве. Данная конструкция позволяет сделать пол и центр тяжести автомобиля достаточно низкими.
У рамной несущей части автомобиля есть ряд достоинств и особенностей, которые делают ее незаменимой для грузовых машин и внедорожников. И хотя рама используется сугубо для конкретных видов автомобилей, некоторые элементы ее конструкции применяются крайне широко, так как позволяют сделать несущие кузова более жесткими. Почти любая легковая машина оснащена усиливающими лонжеронами либо подрамниками.
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
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
Рама – это навсегда: почему автомобили с несущим кузовом никогда не вытеснят рамные
Первые серийные автомобили с несущим кузовом появились еще в 30-х годах прошлого века, а в 2011-м сошел с конвейера последний рамный седан Ford Crown Victoria. Но рамы никуда не денутся, и мы объясним, почему.
Предтечи
К тому времени у многих марок стали появляться массовые модели, производство которых стремились удешевить и упростить в числе прочего и за счет снижения материалоемкости и упрощения технологии сборки. Распространенные тогда конструкции с рамным шасси и кузовами на деревянном каркасе к этому не располагали, и, несмотря на более высокую цену стали, кузовостроение переориентировалось с древесины на металл.
Кузова стали варить из штампованных металлических деталей. Конструкторам, получившим в свое распоряжение технологии штамповки каркасных деталей нужного профиля и прочности, оставалось лишь усилить пространственную конструкцию кузова до той степени, чтобы она могла нести на себе узлы и агрегаты всего автомобиля.
Методики расчета и технологии металлообработки к тому времени достигли того уровня, когда стало возможным при массовом производстве достигать небольшого веса и достаточной жесткости трехмерной системы.
Lancia Lambda Torpedo 4 Series 1922-1924
Opel Olympia 1935-1937
Так, собственно, и родился несущий кузов автомобиля. Первые безрамные серийные легковушки — итальянская Lancia Lambda (1922 г.) с открытым кузовом «торпедо». Потом были компактный седан Opel Olympia (1935) и ставший впоследствии легендарным переднеприводный Citroen 7 Traction Avante (1934). Они показали, что рама для массовой легковой машины вовсе необязательна. Но эти автомобили были сродни сегодняшней Tesla или BMW i8. О них знали все, но имели очень немногие.
Перелом
К середине ХХ столетия обозначилось еще одно существенное преимущество цельнометаллического несущего кузова перед рамной конструкцией. Общественность начала заботиться о пассивной безопасности транспортных средств. Краш-тесты показали, что машины с лонжеронной рамой опасны при самых распространенных столкновениях — фронтальных.
Слишком жесткая рама не позволяла «передку» автомобиля деформироваться и в нужной степени поглотить энергию удара, в итоге пассажиры в салоне получали смертельно опасные травмы от удара о детали интерьера.
У безрамного автомобиля оказалось гораздо проще рассчитать зоны деформации для самых «популярных» типов столкновений и обеспечить сохранность «обитаемой капсулы». Несущий кузов также позволял конструкторам при его существенном смятии от лобового удара направить тяжелый силовой агрегат под днище, а не в салон, как нередко происходило у рамной конструкции, закрытой снизу жесткими лонжеронами.
Таким образом, сформировался целый комплекс причин, приведших к отходу от широкого применения рамных конструкций:
1. Появление технологий производства несущих кузовов небольшой массы и достаточной жесткости;
2. Борьба за облегчение автомобилей;
3. Стремление увеличить полезный объем кузова;
4. Желание улучшить управляемость автомобиля за счет снижения центра тяжести;
5. Повышение требований к пассивной безопасности автомобиля.
Автомобиль Nash 1942 г. На рисунке выделены усилители кузова.
Долгое расставание
Мир легковых автомобилей расставался с рамами не спеша. В Европе это происходило по мере смены моделей в производственной программе ведущих автомобильных марок, то есть относительно быстро. А вот в Новом Свете процесс затянулся всерьез.
Стремительное развитие потребительского рынка в послевоенной Америке привело к частому, буквально ежегодному обновлению модельных линеек. Непрерывная работа над рестайлингами и сменой моделей облегчалась благодаря рамным конструкциям американских машин: оставляя шасси неизменным многие годы, конструкторы обновляли только кузов.
К тому же рамной архитектуре как нельзя лучше соответствовала концепция американских дорожных дредноутов в целом: высокие требования к плавности хода, большие габариты (длина до 5,5 м, ширина до 2 м), тихоходные многолитровые двигатели (объем до 5-6 л), значительная масса (более 2 т), которая порой выдавалась рекламистами тех лет за достоинство.
Ford Crown Victoria police interceptor
По указанным причинам рамные конструкции продержались в американском автопроме вплоть до 2011 года, когда был закрыт завод, выпускавший последнего из полноразмерных могикан — Ford Crown Victoria, который мы все знаем по американским боевикам 1990-х и 2000-х годов как основной транспорт полиции.
Машина была прочной, выносливой и комфортабельной, хотя по нынешним меркам при существенных габаритах (5,4 х 2,0 х 1,5 м) не могла похвастать соответствующим пространством в салоне. Следующий полицейский Ford — седан Taurus Police Interceptor (о нем мы писали в статье про американские модели, которые нельзя купить в России) — выполнен уже по цельнонесущей схеме.
А как же офф-роуд?
Не так все просто сложилось в сообществе автомобилей-внедорожников: лишить их рамы без существенных потерь оказалось сложнее. Как минимум потому, что езда по плохим дорогам или бездорожью так или иначе предполагает частое «вывешивание» машины — ее диагональный перекос.
Чтобы обеспечить при этом сохранение геометрии несущего кузова, необходимо значительно усиливать его за счет дополнительных косынок, распорок, более мощных балок. В противном случае неизбежны перекосы проемов с невозможностью открыть или закрыть дверь, а то и усталостные трещины в самых нагруженных местах. Ситуация усугубляется тем, что большинство внедорожников имеют крупные пятидверные кузова, обеспечить пространственную жесткость которых еще труднее.
В общем, полностью «забрать» раму у больших внедорожников конструкторы не смогли — ее сделали интегрированной. Иначе говоря, облегченные части обычной рамы встроили в силовой каркас кузова. В первую очередь это были продольные лонжероны, развитые до трехмерной формы в определенных «районах» кузова. Так сделали создатели третьего поколения Land Rover Discovery (2004 г.) или Suzuki Grand Vitara (2005 г.) второй генерации.
