Конструкция и типы кузовов легковых автомобилей, материалы и расчет

Кузов современного легкового автомобиля выполняет две ключевые функции. Во-первых, он формирует защищенное пространство для размещения пассажиров, водителя и багажа. Во-вторых, он полностью или частично служит несущей системой автомобиля, воспринимая все эксплуатационные нагрузки, особенно в безрамных конструкциях. Кузов условно делится на верхнюю часть, формирующую салон, и нижнюю часть — основание, которое служит базой для агрегатов шасси.

Верхняя часть кузова состоит из силового каркаса и наружных облицовочных панелей. В зависимости от роли этих панелей в силовой схеме кузова классифицируют на три основных типа: каркасные, скелетные и оболочковые. В каркасном кузове все нагрузки воспринимает пространственный каркас из стержней, к которому крепятся ненагруженные панели из легких сплавов или пластика. Это классическая схема многих исторических автомобилей.

Скелетный кузов является развитием каркасной схемы, где нагрузки распределяются между каркасом и работающей совместно с ним наружной оболочкой. В такой конструкции каркас и оболочка должны выполняться из одинаковых материалов для обеспечения совместной работы. Оболочковый (панельный) кузов формируется из соединенных между собой наружной и внутренней оболочек, образующих жесткие тонкостенные конструкции. Такие кузова выполняются из крупных штамповок, сваренных в замкнутые профили, и являются наиболее распространенными в современном массовом автомобилестроении.

Типовые сечения силовых элементов, таких как наддверные балки, стойки и пороги, для разных типов кузовов представлены на рисунке 239. Эти элементы формируют силовую схему, обеспечивающую жесткость и прочность всей конструкции. Основание кузова, являющееся его фундаментом, может иметь различные конструктивные схемы в зависимости от компоновки автомобиля. Рисунок 240 иллюстрирует типовые схемы оснований для автомобилей с передним расположением двигателя и задним приводом.

Рис. 239. Типовые сечения основных элементов каркасных и оболочковых кузовов: а — наддверной балки; б — средней стойки; в — стойки ветрового окна; г — надоконной балки ветрового окна; д — порога

На схеме (рис. 240, а) использовано подобие рамы в виде двух продольных балок закрытого сечения, приваренных к полу. В схеме (рис. 240, б) жесткость повышается за счет интеграции передних и задних продольных балок с панелью пола и порогами. Третья схема (рис. 240, в) представляет собой несущий пол, где основную жесткость создают мощные пороги, соединенные с изогнутыми передними балками и задними стойками. В кузовах, устанавливаемых на раму, основание обычно не имеет сильных продольных элементов, кроме порогов и туннеля.

Важную роль в общей жесткости несущего кузова играет приваренное оперение — крылья и кожухи колес. Для изготовления кузовов массовых автомобилей преимущественно применяют низкоуглеродистые стали марок 08кп, 08Фкп, 08Ю, 08, обладающие отличной штампуемостью. Толщина листа для крупных облицовочных панелей (двери, крыша, крылья) обычно составляет 0.75–0.9 мм, а для силовых элементов каркаса (стойки, пороги, балки) — 1.0–1.3 мм. Усилители могут изготавливаться из стали толщиной до 2.4 мм.

Расчет деформаций и напряжений в элементах несущего кузова является сложной инженерной задачей. Для ее решения применяют три основных метода. Приближенный метод потенциальной энергии используется на ранних стадиях проектирования для сравнительных расчетов. Более точный метод, основанный на теории тонкостенных стержней, применяется после завершения конструктивной разработки. Наиболее современным и мощным инструментом является метод конечных элементов (МКЭ), требующий использования высокопроизводительных ЭВМ и позволяющий провести детальный анализ напряженно-деформированного состояния всей сложной конструкции кузова.

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.