Несущая система является самым важным компонентом любого автомобиля. Она воспринимает все нагрузки, действующие на автомобиль. Она также является основой автомобиля, к которой крепятся все основные узлы и детали (двигатель, коробка передач, трансмиссия, подвеска и т.д.).
Несущая система любого автомобиля должна быть достаточно прочной и жесткой при минимальном весе, иметь высокую надежность и необходимую технологичность в производстве, быть достаточно устойчивой к коррозии, способствовать повышению проходимости автомобиля и снижению центра тяжести, обеспечивать наиболее удобное и экономичное расположение и крепление всех навесных агрегатов и узлов, а также значительный ход подвески.
Системы поддержки колесной техники также должны обеспечивать большие углы поворота. В дополнение к общим требованиям к несущим системам отдельных типов транспортных средств могут предъявляться дополнительные (специальные) требования. Например, кузова легковых автомобилей должны иметь такую форму, чтобы они создавали минимальное сопротивление при движении и способствовали безопасности и комфорту водителя и пассажиров, а кузова бронированных машин должны быть устойчивы к пулям и взрывным зарядам.
Различают следующие типы несущих систем транспортных средств: рамы, кузова, кузова, металлоконструкции прицепов и полуприцепов.
Рамы как несущие элементы используются в основном для грузовых автомобилей общего и многоцелевого назначения, колесных тракторов и длиннобазных шасси, а также тракторов и автомобилей со специальными трансмиссиями. Кроме того, некоторые автобусы, гусеничные транспортеры, тягачи и пассажирские автомобили оснащены рамами. Рамы имеют относительно простую конструкцию, просты в изготовлении и ремонте, а также универсальны (например, на одну и ту же раму можно устанавливать различные кузова).
Конструктивно рамы делятся на три типа: продольные, балочные и комбинированные.
Наиболее распространенными являются продольные рамы (рис. a-c), состоящие из двух продольных балок (продольные элементы), нескольких поперечных балок (поперечные элементы), местного усиления (где необходимо) и переходных элементов (скобы, крышки и т.д.).
Продольные балки обычно представляют собой тонкостенные балки с открытым сечением. Типичные профили — швеллер (см. рис. a), двутавровая балка и Z-профиль (рис. c). Иногда лонжероны имеют замкнутый профиль поперечного сечения (прямоугольный или квадратный). Наиболее распространенные швеллерные балки имеют отношение глубины сечения к ширине фланца 2,8…3,5 и толщину стенки 5…10 мм. Балки обычно штампуются из листовой стали, реже — из стандартного проката.
Штампованные продольные элементы легче и могут иметь переменный профиль по длине рамы (см. рис. a), благодаря чему достигается высокая прочность. У большинства рам грузовых автомобилей наибольшее сечение продольных элементов находится в средней части, а наименьшее — по краям.
Рис. Продольная (a, c), балочная (d) и составная (e, f) рамные конструкции
Поперечные балки, соединяющие элементы, перпендикулярны друг другу (см. рисунки a и c) или имеют Х-образную форму (см. рисунок b). Их секции могут быть открытыми или закрытыми. Как и продольные элементы, поперечные элементы обычно штампуются из листовой стали и устанавливаются как можно чаще в местах крепления кронштейнов рессор, моторных и топливных баков, осей тележек и т.д. В автомобилях общего назначения высота поперечных секций аналогична высоте продольных элементов, что приближает эти конструкции к плоским рамам. По мере увеличения грузоподъемности автомобиля высота профилей боковых элементов значительно увеличивается. Объемы, заключенные между лонжеронами в пределах высоты лонжеронов, используются для установки оборудования. Поперечины в этом случае уже не делаются на одной высоте с лонжеронами. Размеры поперечного сечения поперечных элементов значительно уменьшены, а их количество увеличено (см. рисунок c).
Продольные элементы соединяются с поперечными элементами в основном холодной клепкой, реже сваркой. Сварные рамы более жесткие. Недостатком является то, что их трудно ремонтировать, а после сварки возникают остаточные напряжения. Ригели крепятся к фланцам или стенкам продольных элементов. Также возможно их одновременное крепление к фланцам и стенам.
Хребтовые рамы могут быть раздельными или нераздельными. Наиболее часто используются раздельные рамы. Они имеют одну центральную продольную балку, обычно трубчатого сечения (рис. d). Эта балка состоит из каркасов коробки передач (редуктор, главные шестерни) и проводов, соединяющих эти каркасы. Шарниры и каркасы точно соединены друг с другом шпильками и винтами. Помимо центральной продольной балки, рама шасси оснащена поперечинами, которые поддерживают кабину, грузовую платформу, двигатель и другое оборудование.
Хребтовые рамы имеют следующие преимущества перед лонжеронными: меньший вес автомобиля и объем материала, поскольку в качестве несущих элементов используются картеры коробок передач; большая жесткость на кручение, что особенно важно для многоосных полноприводных автомобилей, работающих в сложных дорожных условиях; возможность создания автомобилей с разным количеством осей и разными рамами на базе одних и тех же узлов и компонентов. Недостатками таких рам являются затрудненный доступ к механизмам трансмиссии при обслуживании и ремонте, необходимость использования высокопрочной легированной стали, повышенная конструктивная сложность трансмиссии и подвески, высокие требования к точности изготовления и сборки.
Комбинированные рамы (рис. e, f) содержат элементы как продольных, так и балочных рам, т.е. имеют центральную балку, продольные элементы и поперечные элементы. Центральная балка обычно располагается в центре рамы, а лонжероны и поперечины — по краям рамы.
Корпуса как опорные системы чаще всего используются на гусеничных транспортерах и тракторах, колесных и гусеничных бронированных машинах и машинах-амфибиях. Предлагается широкий выбор конструкций корпуса. Они различаются по размеру, форме, материалам, способам соединения компонентов и другим параметрам. Конструкция корпуса зависит от назначения машины, ее использования, типов наземной и водной силовой установки (машины-амфибии) и т.д.
Корпуса могут быть открытыми или закрытыми. Открытые корпуса имеют открытый (корытообразный) профиль поперечного сечения, а закрытые корпуса — закрытый профиль поперечного сечения. Различают каркасно-опорные и несущие корпуса.
Корпуса с рамной опорой используются в колесных машинах с водоизмещением. Все основные нагрузки принимает на себя рама (к ней крепятся все силовые установки и гребные винты), а сам корпус обеспечивает водонепроницаемость, плавучесть и остойчивость и подвергается гидростатическому и гидродинамическому воздействию только при движении по воде. Несущий корпус представляет собой единую пространственную несущую конструкцию, которая принимает на себя все нагрузки.
Корпуса подшипников делятся на два типа:
- безрамный
- подставленный
Бескаркасные корпуса используются там, где сама оболочка обеспечивает необходимую прочность и жесткость. Эти корпуса представляют собой жесткие сварные коробки, изготовленные из толстого стального листа. Они используются в бронированных и некоторых небронированных легких и средних транспортных средствах. Трехслойные сэндвич-панели являются очень перспективным материалом для поддержки бескаркасных тел. Внешние слои таких панелей изготавливаются из тонких листов достаточно плотного материала (обычно алюминиевых сплавов или стекловолокна); внутренний, более широкий слой изготавливается из материала низкой плотности (пенополиуретана). Корпус типа «сэндвич», имеющий малый вес в сочетании с высокой прочностью и жесткостью, способен эффективно снижать вибрации и противостоять коррозии.
Несущий корпус каркасного типа состоит из пространственного каркаса и тонколистовой обшивки. Рама состоит из продольных и поперечных балок, вертикальных и наклонных стоек, раскосов и т.д. Как правило, элементы каркаса изготавливаются из тонкостенных гнутых профилей и труб круглого или прямоугольного сечения. Пластины обшивки привариваются к каркасу снаружи, обеспечивая корпусу необходимую водонепроницаемость и водоизмещение (для амфибийных транспортных средств). Для повышения местной жесткости облицовочные пластины могут быть расположены зигзагообразно.
Кузова как несущие системы используются в автомобилях и автобусах. Их конструкция очень сложна и разнообразна. Корпус обычно представляет собой комбинацию пространственной рамы из штампованной стали и облицовки в виде тонкостенных корпусов с различными профилями. Компоненты кузова соединяются вместе, обычно с помощью точечной сварки.
Органы подразделяются в зависимости от их предназначения на:
- груз
- пассажир
- грузопассажирский
- специальные (для размещения различного мобильного оборудования).
По характеру воспринимаемых нагрузок различают следующие типы кузовов: несущие (без рамы), полунесущие (они жестко связаны с рамой и воспринимают часть нагрузки, действующей на автомобиль) и разгруженные (они связаны с рамой не жестко, а через упругие прокладки).
В зависимости от типа транспортного средства для кузовов может использоваться другая классификация. Например, кузова легковых автомобилей могут быть одно-, двух- или трехобъемными, в зависимости от их общей структуры и визуального восприятия.
Металлические конструкции прицепов и полуприцепов похожи на рамы, В легких и средних прицепах рамы обычно плоские. Прицепы, предназначенные для перевозки тяжелых грузов (трейлерные прицепы), имеют низкую погрузочную платформу. Их стальные конструкции обычно пространственные. Прицепы имеют рамы со ступенчатой конструкцией. Это связано с необходимостью опускать уровень грузовой платформы, когда сцепное устройство находится относительно высоко.
Для изготовления рам в основном используются углеродистые и низколегированные стали. Они относительно дешевле и технологичнее высоколегированных сталей. Эти стали также легче поддаются гибке и холодной ковке. Низколегированные стали менее свариваемы, чем углеродистые, и поэтому в основном используются в клепаных конструкциях.
Системы поддержки корпуса изготавливаются из различных материалов, чаще всего из углеродистых сталей. Также могут использоваться легкие сплавы (например, алюминий) и пластмассы, что снижает вес корпуса и повышает его коррозионную стойкость.
Для кузовов автомобилей и массовых моделей автобусов основными компонентами являются специальные низкоуглеродистые стали. Элементы кузова (крылья, колесные арки, шасси), подверженные сильной коррозии, часто изготавливаются из оцинкованной стали. В последние годы для изготовления кузовов автомобилей все чаще используются алюминиевые сплавы и пластмассы.
Стальные конструкции прицепов и полуприцепов преимущественно собираются с помощью сварки, что определяет выбор материалов. В этом случае чаще всего используются углеродистые стали.
