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.
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
Рамный или несущий? Какой тип кузова лучше для внедорожника и почему
Споров по поводу того, какая конструкция автомобильного кузова лучше — рамная или несущая, становится все меньше. Использование современных материалов и передовые методы проектирования позволяют создавать структуры, обеспечивающие несущему кузову и легкость, и прочность. И не случайно новейшие Land Rover Defender и Land Rover Discovery имеют в своей конструкции именно несущие кузова. А ведь эти автомобили — признанные покорители бездорожья.
Если абстрагироваться от эмоций, то обе «стороны баррикады» по-своему правы. Важно, для какой цели приобретается автомобиль. Нужен легкий грузовичок? В этом случае рама действительно позволит обеспечить повышенную грузоподъемность, да и клиренс в зависимости от степени загрузки существенно меняться не будет. Вы большой поклонник жесткого бездорожья и путешествия по непроходимым дебрям доставляют вам несказанное удовольствие? Возможно, рамная конструкция вам и в этом поможет, но это уже не столь очевидно. Здесь главным преимуществом «рамника» станет возможность обеспечить большие, нежели у несущих аналогов, ходы подвески. Кроме того, лонжероны — это дополнительный демпфирующий элемент, который экранирует шумы и вибрации от дороги. В случае с несущими кузовами конструкторам придется озаботиться дополнительной шумо- и виброизоляцией. Немаловажен и другой момент: кузов для рамных машин легче модифицировать, то есть у разработчиков появляется больше возможностей для расширения модельной гаммы, базирующейся на одной платформе.
На «стапелях» сборочного конвейера —
кузова нового Land Rover Defender.
В то же время рамный внедорожник будет обладать большей массой — только рама потянет килограммов на 200. Понятно, что это не буквальная разница в весе, так как сам несущий кузов, с набором усиливающих его элементов, тоже не легок. Но, тем не менее, несущая конструкция легче рамной. А значит, и динамические показатели, и экономичность у такого автомобиля, при равной «энерговооруженности», будут выше. Как и управляемость. Реакции на работу рулем более легкого автомобиля станут четче — и центробежные силы, и инерционные массы в этом случае сократятся. Здесь хорошим примером могут служить спорткары с каркасом безопасности. Такой «монолит» создает максимально жесткую связь между передней и задней подвесками, позволяет очень точно настроить характеристики амортизаторов, обеспечивает отличную обратную связь… Если же говорить о динамическом комфорте, то и тут будет лидировать автомобиль с несущим кузовом.
Так собирались рамные конструкции первых Defender.
Еще больший вклад несущий кузов вносит в повышение уровня пассивной безопасности. На раме сложнее спроектировать зоны программируемой деформации, так как при расчетах приходится рассматривать два конструктивных элемента: сам каркас и закрепленный на нем через эластичные подушки кузов. Случаи, когда во время ДТП эти крепления разрывало, отнюдь не редкость. Кроме того, в несущей конструкции легче спроектировать направляющие, по которым двигатель после удара уйдет вниз, а не в салон.
Так изнутри выглядит структура современного несущего кузова. Лонжероны, коробы, усилители. И комбинации различных материалов.
Многие считают, что «рамники» долговечнее. Но и в этом случае все не так просто. Во-первых, сама рама подвержена коррозии. Во-вторых, удары, пришедшиеся в определенные зоны рамы, могут привести к ее деформации, а значит и замене. А эта операция потребует и времени, и значительных финансовых вложений. Что касается кузова, то его долговечность зависит от того, насколько хорошо он защищен от коррозии, и этот момент, конечно же, в большинстве случаев учитывается. Например, производятся различные виды оцинковки, а при конструировании стараются исключить возникновение гальванических пар (как, к примеру, при непосредственном контакте стали и алюминия — комбинации материалов, все шире и шире используемой в современном автомобилестроении). Да что там современные, высокотехнологичные кузова — по нашим дорогам еще вовсю бегают ВАЗ-2121 «Нива» с несущими кузовами, которым от рождения по три десятка лет.
Внедорожные возможности нового Land Rover Defender. A: угол съезда 40°. B: угол рампы 28° (для версии 90 — 31°). C: угол въезда 38°. D: боковые воздухозаборники помогают автомобилю преодолевать брод глубиной до 900 мм. 
Структура кузова нового Land Rover Defender. A: 29 000 Нм/град. Самый жесткий алюминиевый кузов Land Rover.B: до 18 тонн рывковой нагрузки, приложенной к буксирным крюкам. C: структура в три раза более жесткая, чем традиционная рамная конструкция. D: до 300 кг статической нагрузки на крышу и до 168 кг динамической нагрузки на крышу. E: до семи тонн вертикальной нагрузки на подвеску.
Инженеры компании Jaguar Land Rover имеют богатый опыт проектирования как рамных конструкций, так и несущих кузовов, и возможностей для сравнения характеристик у них более чем достаточно. Кстати, в автомобилях Land Rover использовались и «переходные» варианты, такие как интегрированная рама. По сути это — силовой каркас, повторяющий геометрию кузовных элементов. В ходе испытаний выяснилось, что жесткость кузова с интегрированной рамой Land Rover Discovery третьего поколения составляет 15 000 Нм/град., что само по себе отличный результат. Но прогресс не стоит на месте: у более свежего несущего кузова Discovery пятого поколения этот показатель в полтора раза выше: 23 000 Нм/град. А новый Defender и вовсе бьет все рекорды, демонстрируя 29 000 Нм/град. Согласитесь, весьма неплохой аргумент.
Юрий Овчинников,
организатор трофи-рейда Ladoga Trophy
