Конструкция и типы рам легковых автомобилей: периферийная, Х-образная, лестничная

Современные тенденции к снижению высоты легковых автомобилей определили преобладание в их конструкции периферийных и Х-образных рам. Эти типы несущих систем позволяют опустить уровень пола кузова ниже верхней плоскости лонжеронов, что критически важно для создания низкого центра тяжести и улучшения аэродинамики. В случае применения классической лестничной рамы понижение уровня пола достигается за счет локального увеличения ширины лонжеронов при уменьшении их высоты. Конструкция рамы напрямую влияет на компоновку, безопасность и ходовые качества автомобиля.

Периферийная рама (рис. 233, а) характеризуется особой геометрией, при которой лонжероны проходят по периметру пассажирского салона. На виде сверху она расширена в средней части и сужена в передней и задней оконечностях. Расстояние между лонжеронами спереди определяется колеей и углом поворота управляемых колес, а сзади — колеей задних колес. Несколько поперечин обеспечивают необходимую пространственную жесткость всей конструкции.

Передние и задние окончания лонжеронов, так называемые «плечи», интегрированы в зоны моторного отсека и задней подвески. Эти элементы могут изготавливаться как отдельные детали, соединяемые с основными частями лонжеронов сваркой, или отштамповываться совместно с ними. На виде сбоку рама имеет характерные выгибы в зонах колесных арок для обеспечения свободного хода элементов подвески, будь то рычаги независимой схемы или балка заднего моста.

Основным преимуществом периферийной схемы является возможность создания минимальных по высоте и ширине туннелей для карданного вала и элементов выхлопной системы. Недостатком можно считать увеличенную ширину порогов кузова по сравнению с другими типами рам, что, однако, может способствовать повышению пассивной безопасности при боковом ударе. Такая компоновка оптимальна для автомобилей с несущим кузовом, где рама выполняет роль усиленного основания.

Х-образная рама (рис. 233, б) представляет собой центральную силовую трубу, расположенную в плоскости симметрии автомобиля и переходящую спереди и сзади в разветвленные вилки. Центральная трубчатая часть служит тоннелем для карданного вала, что обеспечивает его надежную защиту. Передняя вилка предназначена для размещения силового агрегата и элементов передней подвески, а задняя — для монтажа заднего моста и подвески.

Концы вилок соединяются поперечинами, формируя жесткую пространственную конструкцию. Ключевое преимущество Х-образной рамы заключается в возможности значительного понижения уровня пола в боковых зонах салона, так как центральная труба занимает лишь ограниченное пространство. Это создает преимущества для компоновки салона и снижения общего центра масс транспортного средства.

Однако при использовании Х-образной схемы туннель в полу становится более высоким и широким, чем у периферийной рамы. Ширина же выступающих порогов кузова получается относительно небольшой, что требует применения специальных конструктивных решений для обеспечения необходимой продольной и поперечной жесткости кузова, а также пассивной безопасности в случае бокового столкновения.

Классическая лестничная рама (рис. 233, в) состоит из двух параллельных продольных лонжеронов, соединенных несколькими поперечинами. Для интеграции с низким полом кузова высота сечения лонжеронов и поперечин в необходимых местах уменьшается за счет компенсирующего увеличения их ширины. Эта схема традиционна и широко применялась на автомобилях прошлых поколений, а также продолжает использоваться на внедорожниках и коммерческом транспорте.

Рис. 233. Рамы легковых автомобилей: а — периферийная; б — Х-образная; в — лестничная

Главным недостатком лестничной рамы в контексте легкового автомобилестроения является невозможность достижения минимальной высоты пола над дорогой. При этом туннель для трансмиссии получается очень компактным, а пороги могут практически не выступать, улучшая эргономику входа и выхода. Конструктивная простота и высокая ремонтопригодность остаются ее неоспоримыми достоинствами.

Для наглядного сравнения влияния типа рамы на форму основания кузова на рисунке 234 представлены характерные сечения. На схемах четко видны различия в геометрии туннеля (1), уровня пола (2), конструкции порога (3) и расположения лонжерона рамы (4). Интересно, что по собственной массе все три типа рам при сопоставимой функциональности и с учетом массы необходимых кронштейнов являются примерно равноценными.

Рис. 234. Сечения основания кузова при рамах различного типа: а — периферийной; б — Х-образной; в — лестничной; 1 — туннель; 2 —пол; 3 — порог; 4 — лонжерон рамы

Независимо от выбранного типа рамы, для обеспечения необходимой жесткости кузова как минимум две ключевые поперечины выполняются с повышенной крутильной жесткостью. Одна из них обычно располагается в зоне оси передних колес, а вторая — в зоне оси задних колес. Эти элементы воспринимают основные нагрузки, связанные с работой подвески и кручением несущей системы.

Для достижения высокой жесткости основные несущие элементы — лонжероны, усиленные поперечины и «плечи» — изготавливаются в виде закрытых сечений. Технологически они чаще всего состоят из двух штампованных половин корытообразного профиля, которые вставляются друг в друга с разъемом по вертикальной плоскости и соединяются дуговой сваркой. Это создает легкую и очень жесткую коробчатую конструкцию.

Второстепенные элементы, не предназначенные для передачи значительных крутящих моментов (например, поперечина для крепления двигателя или концевые участки лонжеронов), выполняются в виде открытых штамповок корытообразного профиля. Применение закрытых сечений для силовых элементов и сварных соединений является отраслевым стандартом, обеспечивающим оптимальное соотношение массы, стоимости и прочностных характеристик автомобильной рамы.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: П. П. Лукин; Г. А. Гаспарян; В. Ф. Родионов; К. Ю. Чириков.

Источник: Конструирование и расчет автомобиля. Необычные двигатели.

Данные публикации будут полезны студентам автомобилестроительных и транспортных специальностей, начинающим инженерам-конструкторам и технологам автопрома, а также всем, кто интересуется глубоким пониманием процессов проектирования и компоновки современных автомобилей.