Samochody nadwozia i ich elementy nośne
Konstrukcje nadwozi. Elementy nośne samochodu Samochód jest bardzo złożonym obiektem. W jego skład wchodzi wiele mechanizmów, układów i zespołów, które współpracując ze sobą dają przede wszystkim możliwość szybkiego i sprawnego przemieszczania się i transportu bagażu lub ładunków. Wpływają na zwiększenie bezpieczeństwa podróży, zapewniają odpowiedni komfort i przyjemność z jazdy a czasem dają dreszczyk emocji. Samochód można podzielić na dwie główne części. Jedna to układy i elementy podwozia, druga zaś to układy i elementy nadwozia. W skład pierwszej części tj. układów podwozia zalicza się: 1. silnik - stanowiący źródło energii do napędu pojazdu i układów w nim zamontowanych jak wspomaganie kierownicy czy klimatyzacja, 2. układ napędowy przekazujący moment obrotowy z wału silnika na koła napędzające pojazd i dopasowujący charakterystykę silnika do charakterystyki oporów ruchu pojazdu. W skład układu napędowego wchodzą: sprzęgło, skrzynia biegów, wał napędowy, przekładnia główna z mechanizmem różnicowym i półosie napędowe, 3. mechanizmy prowadzenia umożliwiające kierowanie samochodem. W ich skład wchodzą: układ kierowniczy i układ hamulcowy, 4. struktura nośna samochodu łączy w całość wszystkie elementy i zespoły podwozia i nadwozia. Przejmuje wszystkie obciążenia działające na pojazd stojący lub będący w ruchu, 5. układ zawieszenia samochodu przenosi na nawierzchnię wszystkie siły działające na pojazd w ruchu lub na postoju, lub patrząc z innego punktu widzenia przenosi na strukturę nośną pojazdu obciążenia wymuszone przez drogę. Elementy i mechanizmy nadwozia stanowią zaś: 1. nadwozie samochodu - element przeznaczony do przewozu pasażerów i bagażu lub ładunku. W jego skład wchodzi cały szkielet (belki, podłużnice, poprzeczki, wzmocnienia, itp.) poszycie (błotnikami, dach, itp.), pokrywy silnika i bagażnika oraz drzwi, 2. wygłuszenie i tapicerka, 3. fotele i kanapy, 4. instalacja elektryczna zasilania i przesyłu danych (np. CAN), 5. układ klimatyzacji i wentylacji, 6. mechanizm czyszczenia szyb, 7. oświetlenie zewnętrzne i wewnętrzne itp. Nadwozia samochodów można, w zależności od kryteriów, podzielić na różne typy. Ze względu na sposób przenoszenia obciążeń i rozwiązanie struktury nośnej nadwozia dzieli się na: 1. nieniosące 2. półniosące 3. samonośne
Nadwozie nieniosące w zasadzie nie przenosi obciążeń działających na zespoły podwozia. Obciążenia te są przenoszone przez dodatkowy element samochodu jakim jest najczęściej płaska rama (Rys. 1.1). Jest ona połączona z nadwoziem przy pomocy elastycznych łączników. Płaska rama musi mieć przekroje o dużej grubości ścianki w celu zapewnienia odpowiedniej sztywności. Wpływa to oczywiście na jej dużą masę. Rys. 1.1 Schemat nadwozia nieniosącego. Do ramy są przymocowane wszystkie zespoły podwozia. Przenosi ona więc wszystkie obciążenia wywołane przez: - masy poszczególnych zespołów podwozia, - masę nadwozia wraz z jego wyposażeniem, - reakcję na moment obrotowy wytwarzany przez silnik, - przemieszczenia wywołane przez nierówności drogi, - przyśpieszenia i opóźnienia powstające w ruchu pojazdu. Nadwozia nieniosące obecnie nie są stosowane w wielkoseryjnej produkcji samochodów osobowych. Rozwiązanie takie jest jednak dobre dla firm budujących własne nadwozia wykorzystując zespoły innych firm. Również naprawa lub wymiana uszkodzonego nadwozia jest prostsza przy takim rozwiązaniu. Dzisiaj nadal chętnie jest ono wykorzystywane w budowie ciężarówek. Na standardowym podwoziu z kabiną pasażerską można zabudować różne nadwozia lub mechanizmy jak: siodło (ciągnik siodłowy), systemy przewozu kontenerów, różnego rodzaju nadwozia np. chłodnie, betoniarki, itd. Zastosowanie ramy ułatwia również budowę pojazdów w różnej konfiguracji jak pojazdy dwu- trzy- czy cztero-osiowe, z napędem na jedną lub wiele osi. Zastosowanie więc takiego rozwiązania jest najlepsze ponieważ umożliwia producentowi zaspokojenie potrzeb możliwie wielu klientów. Nadwozie półniosące (Rys. 1.2)jest sztywno połączone z ramą pojazdu przez co bierze udział w przenoszeniu wszystkich wcześniej opisanych obciążeń działających na ramę. Rozwiązanie takie wykorzystuje nadwozie do usztywnienia konstrukcji dzięki czemu rama może mieć mniejsze przekroje i cieńsze ścianki. Wpływa to oczywiście na zmniejszenie masy całej konstrukcji i często na zwiększenie sztywności skrętnej i giętnej pojazdu. Odpowiednią sztywność samochodu uzyskuje się dopiero po połączeniu nadwozia z ramą. Wszystkie zespoły podwozia są nadal przykręcone do ramy.
To rozwiązanie jest stosowane obecnie raczej rzadko, a można je spotkać w konstrukcjach autobusów. Rys. 1.2 Schemat nadwozia półniosącego. Nadwozia samonośne są obecnie powszechnie stosowane w masowo produkowanych samochodach osobowych. Rozwiązanie to charakteryzuje się całkowitym brakiem elementu jakim jest rama (Rys.1.3). Jej zadania przejmuje nadwozie o odpowiednio sztywniejszej konstrukcji. Wszystkie zespoły podwozia jak silnik, skrzynia biegów zawieszenia itd. są połączone bezpośrednio z nadwoziem w odpowiednio zaprojektowanych wzmocnionych jego punktach. Wszystkie obciążenia działające na pojazd w ruchu, na postoju czy w razie zderzenia są więc przenoszone na całą strukturę nadwozia. Obciążenia te przenoszą zarówno podłużnice, podłogi jak również belki dachu a poszycie nadwozia wpływa na dodatkowe jego usztywnienie. Całkowita masa pojazdu o nadwoziu samonośnym jest stosunkowo najmniejsza przy największej jego sztywności. Jest to możliwe dzięki odpowiednio zaprojektowanym przekrojom przez co wykorzystanie materiału jest najlepsze. Rys. 1.3 Schemat nadwozia samonośnego.
Również koszt wykonania samochodu o nadwoziu samonośnym w produkcji masowej jest najniższy. Niestety naprawy uszkodzeń są trudniejsze. Wymagana jest większa dokładność i staranność w celu zachowania odpowiedniej sztywności i geometrii pojazdu. Trzeba też zwrócić uwagę na to, że obecnie stosowane blachy na nadwozia samonośne o drobnokrystalicznej strukturze [10], [11], wykluczają stosowanie w naprawach powypadkowych technologii spawania na rzecz np. lutowania twardego. Podwyższa to więc koszt napraw. Nadwozia półniosące i samonośne mogą mieć różną budowę w zależności od sposobu przenoszenia przez nie obciążeń. Wprowadza się tu następujący podział: 1. nadwozia szkieletowe, 2. nadwozia półszkieletowe, 3. nadwozia bezszkieletowe. Nadwozie szkieletowe stanowi przestrzenny szkielet wykonany z kształtowników do którego przymocowane jest poszycie. Wszystkie obciążenia działające na nadwozie przenosi właściwie tylko jego szkielet. Poszycie nadaje jedynie nadwoziu odpowiedni, estetyczny wygląd i zabezpiecza pasażerów i ich bagaż przed wiatrem, hałasem, kurzem i warunkami atmosferycznymi. Fakt, że obciążenia są przenoszone tylko przez szkielet powoduje, że musi mieć on odpowiednią konstrukcję a cały samochód ma stosunkowo dużą masę. Nadwozia tego typu stosuje się nadal w autobusach a przykład takiego właśnie nadwozia został pokazany na Rys. 1.4. Rys. 1.4 Szkielet nadwozia autobusu. Nadwozie półszkieletowe posiada, podobnie jak szkieletowe, szkielet lecz tworzy on z poszyciem nierozdzielną strukturę. Zarówno szkielet jak i poszycie przenoszą obciążenia wprowadzane do nadwozia. Poszycie współuczestnicząc w przenoszeniu obciążeń umożliwia więc odchudzenie szkieletu. Konstrukcje takie są znacznie lżejsze niż nadwozia szkieletowe charakteryzując się przy tym często większą sztywnością. Projektując nadwozie
półszkieletowe konstruktor musi poświęcić uwagę nie tylko na uzyskanie odpowiedniego, estetycznego i funkcjonalnego wyglądu (jak w nadwoziach szkieletowych) ale również odpowiedniego kształtu blach poszycia pod kątem zapewnienia wystarczającej ich sztywności. Dopiero współpraca właściwie zaprojektowanego szkieletu i poszycia oraz właściwego ich połączenia zapewnia uzyskanie przez nadwozie koniecznej wytrzymałości oraz sztywności skrętnej i giętnej. Nadwozia bezszkieletowe (skorupowe) nie mają w zasadzie w ogóle szkieletu. Obciążenia przenoszone są przez poszycie tworzące bryłę nadwozia. Elementy poszycia muszą mieć więc dużą sztywność, którą uzyskuje się przez odpowiednie ich ukształtowanie. Na większych płaskich powierzchniach stosuje się na przykład przetłoczenia usztywniające. W strefach najbardziej obciążonych można znaleźć profile zamknięte (progi, podłużnice). Nadwozia skorupowe mają stosunkowo najniższą masę przy zachowaniu dużej sztywności zarówno giętnej jak i skrętnej. Niestety ich projektowanie tak jak i półszkieletowych wymaga więcej czasu i jest dość kosztowne. Analizując jednak różne konstrukcje trudno jest je zakwalifikować jednoznacznie do jednej konkretnej grupy. Są to najczęściej rozwiązania mieszane. W przedstawionym na Rys. 1.5 nadwoziu Volvo 850 można zauważyć część półszkieletową tworzoną przez progi, przednie słupki drzwi, przednią belkę podokienną i tylne podłużnice oraz płytę podłogi, tunel, tylne nadkola i przednią przegrodę. Wszystkie słupki i rama dachu tworzą zaś konstrukcję szkieletową. Takie rozwiązanie jest wymuszone koniecznością umieszczenia drzwi i szyb w nadwoziu, aby zapewnić możliwość zajęcia miejsc przez pasażerów i odpowiednią widoczność. Rys. 1.5 Struktura nadwozia Volvo 850. Kolejnym przykładem niech będzie Audi R8 (Rys. 1.6). Wyraźnie widać, że centralna część nadwozia ma konstrukcję właściwie półszkieletową natomiast przednia i tylna część to przestrzenna konstrukcja ramowa. Całość jest nierozłączną strukturą.
Rys. 1.6 Struktura nadwozia Audi R8. Taka a nie inna konstrukcja to najczęściej kompromis miedzy kilkoma czynnikami z których najważniejsze to wytrzymałość, sztywność, bezpieczeństwo, funkcjonalność, niska masa, niskie koszty wytwarzania. Ramy pojazdów samochodowych Rama z punktu widzenia budowy pojazdu to, jak wcześniej wspomniano, element jego podwozia, który przenosi wszystkie obciążenia występujące w czasie postoju i ruchu pojazdu. Element ten występuje w samochodach o nadwoziu nieniosącym i półniosącym. Ramy samochodów podzielić można na: 1. płaskie 2. przestrzenne. Ramy płaskie dawniej były powszechnie stosowane w samochodach. Stanowi ją ustrój, którego dwa główne wymiary są znacznie większe od trzeciego. Ponieważ nadwozie nieniosące, oparte na ramie płaskiej, przeważnie ma mniejszą sztywność przy stosunkowo większej masie, dzisiaj w samochodach osobowych właściwie się go nie wykorzystuje. Nadal chętnie są one stosowane w konstrukcjach samochodów ciężarowych i terenowych. Ramy te można podzielić na cztery główne typy: - ramy podłużnicowe, - ramy centralne, - ramy krzyżowe, - ramy płytowe.
Rama podłużnicowa (Rys. 2.1) zbudowana jest z dwóch podłużnic połączonych poprzeczkami. Miejsca połączeń podłużnic i poprzeczek są często dodatkowo wzmacniane blachami węzłowymi. Podłużnice mają najczęściej przekrój ceowy lub zamknięty skrzynkowy. Podłużnice mogą być wygięte zarówno w płaszczyźnie poziomej jak i pionowej w zależności od wymagań konstrukcji. Rys. 2.1 Rama podłużnicowa. Rama centralna przedstawiona na Rys. 2.2 składa się z jednej podłużnicy. Najczęściej ma ona zamknięty przekrój okrągły lub skrzynkowy. Jest ona wyposażona w poprzeczki i uchwyty umożliwiające montaż nadwozia i zespołów oraz zawieszeń. Zespół napędowy jest umieszczony w rozwidleniu ramy. Wał napędowy jest umieszczony wewnątrz pojedynczej podłużnicy. Rys. 2.2 Rama centralna. Rama krzyżowa (Rys. 2.3) jest zbudowana z dwóch skrzyżowanych podłużnic. Ich końce połączone są przeważnie poprzeczkami które usztywniają konstrukcję i stanowią podparcie dla zespołów podwozia. Połączenia podłużnic i poprzeczek są tu również wzmocnione dodatkowymi blachami węzłowymi.
Rys. 2.3 Rama krzyżowa. Rama płytowa, której przykład przedstawiona na Rys. 2.4, jest wykonana (wytłoczona) z jednego kawałka blachy lub kilku połączonych przy pomocy spawania lub zgrzewania. W celu usztywnienia posiada ona liczne przetłoczenia i wspawane dodatkowe wsporniki. Rama taka stanowi jednocześnie podłogę pojazdu. Rys. 2.4 Rama płytowa. Ramy przestrzenne to ustroje nośne których wszystkie trzy główne wymiary są tego samego rzędu. Jest to rozwiązanie niestosowane w produkcji masowej natomiast można je znaleźć w samochodach sportowych i rajdowych. Jest ono chętnie wykorzystywane również przez małe firmy samochodowe produkujące kilkanaście aut rocznie. Zastosowanie ramy przestrzennej ma tu wiele zalet. Ma ona przede wszystkim bardzo dużą sztywność i wytrzymałość przy niewielkiej masie. Jest znacznie prostsza do wykonania w produkcji małoseryjnej czy jednostkowej niż nadwozie samonośne. Specjalny przyrząd wymagany przy spawaniu tej konstrukcji przeważnie umożliwia dokonywanie zmian w ramie przy minimalnych kosztach, a nawet wykonanie innej podobnej konstrukcji.
W tym miejscu trzeba wyjaśnić, że w budowie samochodu przyjęło się nazywać ramą ten jego element, który przenosi wszystkie obciążenia na niego działające i do którego przymocowane jest nadwozie i zespoły podwozia. W rozdziale 5 przedstawiono definicję ramy z punktu widzenia jej budowy i sposobu przenoszenia obciążeń. Biorąc zatem pod uwagę budowę i sposób przenoszenia obciążeń, ramy a właściwie ogólniej przestrzenne ustroje nośne dzieli się na: - przestrzenne konstrukcje kratownicowe (kratownice przestrzenne), - przestrzenne konstrukcje ramowe (ramy przestrzenne). Poniżej przedstawiono kilka ciekawych przykładów rozwiązań przestrzennych ustrojów nośnych samochodów. Na Rys. 2.5 pokazano ustrój nośny samochodu Mercedes Benz 300SL z lat 50-tych XX wieku. Jest to bardzo ciekawa, przestrzenna konstrukcja kratownicowa. Jej pręty są połączone w węzłach w ten sposób, że tworzą trójkąty. Sposób przenoszenia obciążeń w kratownicy (będzie o tym mowa w podrozdziale 5.1) sprawia, że jest to konstrukcja bardzo lekka przy dużej wytrzymałości. Masa tej ramy nie przekracza 100 kg, a sam samochód był w swoich czasach jednym z najlepszych aut sportowych. Trzeba też zwrócić uwagę, że nie zaprojektowano tu żadnej strefy kontrolowanego zgniotu, która mogłaby pochłonąć energię ewentualnego zderzenia. Pręty mają duże smukłości co wpływa na zwiększenie możliwości uszkodzenia w wyniku wyboczenia. W razie zderzenia odkształcenia ramy pochłoną stosunkowo niewiele energii. Rys. 2.5 Rama Mercedes Benz 300SL.
Rys. 2.6 Rama polskiego samochodu Leopard. Na Rys. 2.6 i 2.7 przedstawiono zaś nowe konstrukcje stanowiące połączenie ram i kratownic. Widać tu mniejszą ilość prętów, szczególnie w drugiej z nich. Rama przedstawiona na rysunku 2.7 jest bardzo prostą konstrukcją pozbawioną całkowicie jakiejkolwiek strefy kontrolowanego zgniotu.
Rys. 2.7 Rama Faktory Five Racing.