Что такое и из чего состоит кузов легкового автомобиля

Автомобиль состоит из множества элементов, которые слаженно работают вместе. Основными из них принято считать двигатель, ходовую часть и трансмиссию. Однако, все они закреплены на несущей системе, которая и обеспечивает их взаимодействие. Несущая система может быть представлена разными вариантами, но наиболее популярным является кузов автомобиля. Это важный конструктивный элемент, который обеспечивает крепление составных частей транспортного средства, размещение пассажиров и грузов в салоне, а также воспринимает все нагрузки во время движения.

Назначение и требования

Если двигатель называют сердцем автомобиля, то кузов – это его оболочка или тело. Как бы то ни было, именно кузов является самым дорогим элементом машины. Основное его назначение – это защита пассажиров и внутренних компонентов от воздействия окружающей среды, размещение посадочных мест и прочих элементов.

Кузов автомобиля

Как к важному конструктивному элементу к кузову предъявляются определенные требования, среди которых:

• стойкость к коррозии и долговечность;
• сравнительно небольшая масса;
• необходимая жесткость;
• оптимальная форма, чтобы обеспечить ремонт и обслуживание всех агрегатов автомобиля, удобство погрузки багажа;
• обеспечение необходимого уровня комфорта для пассажиров и водителя;
• обеспечение определенного уровня пассивной безопасности при столкновении;
• соответствие современным стандартам и тенденциям в дизайне.

Компоновка кузовов

Несущая часть автомобиля может состоять из рамы и кузова, только кузова или быть комбинированной. Кузов, который выполняет функции несущей части, так и называется несущим. Именно такой тип наиболее распространен на современных автомобилях.

Также кузов может быть выполнен в трех объемах:

Однообъемный выполняется как цельный корпус, который объединяет отделение для двигателя, пассажирский салон и багажный отсек. Такая компоновка соответствует пассажирским (автобусы, микроавтобусы) и грузопассажирским автомобилям.

Двухобъемный имеет две зоны пространства. Пассажирский салон, объединенный с багажником, и моторный отсек. К такой компоновке относятся хэтчбек, универсал и кроссовер.

Трехобъемный состоит из трех отсеков: пассажирского, отсека для двигателя и багажного отделения. Это классическая компоновка, которой соответствуют седаны.

Разные компоновки можно рассмотреть на рисунке ниже, а более подробно почитать в нашей статье о типах кузовов.

Компоновка кузовов

Устройство

Несмотря на разнообразие компоновок, кузов легкового автомобиля имеет общие элементы. Они показаны на рисунке ниже и включают в себя:

1. Передние и задние лонжероны. Представляют собой прямоугольные балки, которые обеспечивают жесткость конструкции и гашение колебаний.
2. Передний щит. Отделяет моторный отсек от пассажирского.
3. Передние стойки. Также обеспечивают жесткость и крепят крышу.
4. Крыша.
5. Задняя стойка.
6. Заднее крыло.
7. Багажная панель.
8. Средняя стойка. Обеспечивает жесткость кузова, изготавливается из прочной листовой стали.
9. Пороги.
10. Центральный тоннель, где располагаются различные элементы (выхлопная труба, карданный вал и т.д.). Также увеличивает жесткость.
11. Основание или днище.
12. Надколесная ниша.

Детальное устройство кузова автомобиля

Конструкция может быть иной в зависимости от типа кузова (седан, универсал, микроавтобус и т.д.). Особое внимание в конструкции уделяется несущим элементам, таким как лонжероны и стойки.

Жесткость

Жесткость – это свойство кузова автомобиля сопротивляться динамическим и статистическим нагрузкам в процессе эксплуатации. Она напрямую влияет на управляемость.

Чем выше жесткость, тем лучше управляемость автомобиля.

Жесткость зависит от типа кузова, общей геометрии, количества дверей, размера машины и окон. Большую роль также играет крепление и положение лобового и заднего стекол. Они могут увеличить жесткость на 20-40%. Для большего увеличения жесткости устанавливаются различные распорки-усилители.

Наиболее устойчивыми считаются хэтчбеки, купе и седаны. Как правило, это трехобъемная компоновка, которая имеет дополнительные перегородки между багажным отделением и двигателем. Недостаточную жесткость показывают кузова типа универсал, пассажирский, микроавтобус.

Есть два параметра жесткости – на изгиб и на кручение. На кручение проверяют сопротивление при давлении в противоположных точках относительно его продольной оси, например, при диагональном вывешивании. Как уже было сказано, современные автомобили имеют цельный несущий кузов. В таких конструкциях жесткость обеспечивается главным образом за счет лонжеронов, поперечных и продольных балок.

Материалы для изготовления и их толщина

Прочность и жесткость конструкции можно увеличить за счет толщины стали, но это скажется на массе. Кузов должен быть легким и одновременно прочным. Это обеспечивается за счет применения низкоуглеродистой листовой стали. Отдельные детали изготавливаются путем штамповки. Затем части прочно соединяются друг с другом точечной сваркой.

Основная толщина стали составляет 0,8-2 мм. Для рамы применяется сталь толщиной 2-4 мм. Наиболее важные детали, такие как лонжероны и стойки, изготавливаются из стали, чаще всего легированной, толщиной 4-8 мм, большегрузные автомобили – 5-12 мм.

Плюс низкоуглеродистой стали в том, что она хорошо подвергается формовке. Можно сделать деталь любой формы и геометрии. Минус в низкой устойчивости к коррозии. Для повышения стойкости к коррозии листы стали подвергаются оцинковке или добавляется медь. Лакокрасочное покрытие также защищает от коррозии.

Наименее важные детали, которые не несут основной нагрузки, изготавливаются из пластмасс или сплавов алюминия. Это снижает вес и стоимость конструкции. На рисунке показаны материалы и их прочность в зависимости от назначения.

Материалы для изготовления кузова

Алюминиевый кузов

Современные конструкторы постоянно ищут способы снижения массы без потери жесткости и прочности. Одним из перспективных материалов является алюминий. Масса алюминиевых деталей в 2005 году в европейских автомобилях составила 130 кг.

Сейчас активно применяется материал пеноалюминий. Это очень легкий и одновременно жесткий материал, который хорошо поглощает удар при столкновении. Пенистая структура обеспечивает высокую термостойкость и шумоизоляцию. Минусом данного материала является его высокая стоимость, примерно на 20% дороже традиционных аналогов. Широко применяют алюминиевые сплавы концерны «Ауди» и «Мерседес». Например, за счет таких сплавов удалось значительно снизить массу кузова Ауди А8. Она составляет всего 810 кг.

Алюминиевый кузов Audi A8

Кроме алюминия рассматриваются пластиковые материалы. Например, инновационный сплав «Fibropur», который по жесткости практически не уступает стальным листам.

Кузов является одним из важнейших конструктивных компонентов любого автомобиля. От него во многом зависит масса, управляемость и безопасность транспортного средства. Качество и толщина материалов сказывается на долговечности и устойчивости к коррозии. Современные автопроизводители все чаще применяют углепластик или алюминий, чтобы снизить массу конструкции. Главное, чтобы кузов смог обеспечить максимально возможную безопасность для пассажиров и водителя в случае столкновения.

Общее устройство кузова автомобиля. Применяемые материалы

Несущий кузов, характерный для большинства легковых автомобилей, содержит полые элементы, изготовленные из листовой стали, на которых устанавливаются и крепятся сваркой кузовные панели. В зависимости от типа автомобиля, около 5000 сварных точек должны быть выполнены вдоль сварочных фланцев общей длиной 120…200 м. Ширина сварочного фланца составляет 10-18 мм. Другие части (передние крылья, двери, капот, крышка багажника) крепятся к опорным конструкциям кузова на болтах или с помощью точечной сварки. Существуют также каркасные и скелетные типы конструкций кузовов.

В качестве материала для кузовов применяется тонколистовая сталь. Наиболее преобладающая толщина 0,75…1 мм, однако, отдельные части кузова могут иметь толщину от 0,6 до 3,0 мм.

Для изготовления высоконапряженных конструктивных элементов применяется высокопрочная низколегированная листовая сталь. Некоторые детали кузова, например, бампера, молдинги, люки, спойлеры, решетки радиаторов, облицовки надколесных ниш, колпаки и др. могут изготавливаться из пластмасс.

Общая конструкция кузова легкового автомобиля показана на рисунке.

Рис. Кузов легкового автомобиля:
1 – подоконная балка; 2 – передняя балка крыши; 3 – лонжерон крыши; 4 – задняя балка крыши; 5 – задняя стойка кузова; 6 – задняя панель; 7 – пол в задней части кузова; 8 – задний лонжерон; 9 – средняя стойка кузова; 10 – поперечина под задним сиденьем; 11 – передняя стойка; 12 – поперечина под сиденьем водителя; 13 – порог; 14 – надколесная ниша; 15 – поперечная балка опор двигателя; 16 – передний лонжерон; 17 – поперечина передняя; 18 — поперечина радиатора

Для защиты кузова от коррозии при изготовлении кузова применяются следующие меры:

• снижение до минимума фланцевых соединений, острых кромок и углов
• устранение зон, где могут скапливаться пыль и влага
• выполнение отверстий для предварительной антикоррозионной обработки и обработки методом электрофореза
• обеспечение доступности к элементам кузова для ввода ингибиторов коррозии
• обеспечение вентиляции полых элементов
• предотвращение проникновения пыли и влаги в скрытые полости
• выполнение дренажных отверстий
• снижение до минимума зон, подвергаю­щихся воздействию ударов камней
• покрытие нижней части кузова и тех частей кузова, которые в наибольшей степени подвержены коррозии (двери и силовые элементы в передней части автомобиля) специальными защитными средствами

Для снижения массы кузова, при сохранении его прочности, в современных автомобилях применяют высокопрочную сталь, доля которой в верхней и нижней частях кузова составляет 50…60%. Применение высокопрочной листовой стали позволяет снизить массу применяемых деталей кузова на 25%.

Стальной листовой материал современных автомобилей подвергается электролитиче­скому или термическому цинкованию. Соединение отдельных деталей кузова производится с помощью лазерной сварки, обеспечивающей абсолютно гладкие швы.

Фланцы, подверженные активному коррозион­ному воздействию, обрабатываются специальными пастами (поливинилхлорид или эпоксидная смола) в зоне расположения точечных швов.

Перспективным направлением в развитии автомобильных кузовов является применение алюминия и в 2005 году масса алюминиевых деталей на один автомобиль в Европе составляет 130 кг. Среди новых материалов, активно завоевывающих автомобилестроение, следует назвать пеноалюминий – чрезвычайно легкий, жесткий, с высоким энергопоглощением при столкновении. Металлические пенистые структуры обладают и высокими характеристиками, обеспечивающими шумоизоляцию и термостойкость, однако стоимость деталей из такого материала выше, чем у стальных, примерно на 20%.

Разработан новый материал «AAS» трехслойной структуры, способной кардинально изменить конструкцию кузова и снизить его массу до 50%.

В конструкции концептуальных автомобилей компаний «Ауди» и «Даймлер-Бенц» использованы каркасы из прессованных алюминиевых профилей. Масса кузова модели «Ауди А8» за счет этого снижена до 810 кг.

Структура передней части современных легковых автомобилей разработана таким образом, чтобы в случае легкого ДТП (скорость до 15 км/ч) необходимо было менять только поперечину бампера 5 и прикрепленные к ней поглотители энергии деформации 1. Если повреждения структуры автомобиля более значительны, тогда может возникнуть необходимость замены лонжеронов, для этого также следует отвернуть болтовое соединение. Все значительные повреждения в передней части автомобиля могут быть устранены только сваркой соответствующих оригинальных деталей.

Рис. Нижняя часть легкового автомобиля Audi:
1 – поглотитель энергии; 2 – лонжерон 1; 3 – лонжерон 2; 4 – болтовое соединение; 5 – поперечина бампера

Большой интерес представляет новый пластиковый материал под маркой «Fibropur». В его структуре – полиуретан и натуральные волокна (лен и сизаль в равных пропорциях). Детали из такого пластика отличаются легкостью, жесткостью, ударной вязкостью и меньшей стоимостью в сравнении с полиуретаном.

Замены металлических узлов и деталей на пластиковые позволили уменьшить стоимость их производства. В результате уже на нынешнем этапе создаются условия для снижения себестоимости автомобиля на 20 … 30%.

В настоящее время 48% всех пластмассовых деталей в легковом автомобиле приходятся на долю внутренней отделки кузова. Однако пластмассы применяются и в других агрегатах автомобилей – например, самоклеящиеся листовые материалы для повышения жесткости и прочности кузова из тонких стальных листов, оконные стекла из поликарбоната, которые на 40% легче, всасывающие патрубки из полиамида на двигателях.

В последнее время производители транспортных средств все большее внимание обращают на химические способы соединения узлов и деталей автомобиля. Так, компания «Крайслер» разрабатывает концептуальный автомобиль (CCV) с кузовом из термопластов, соединенный с рамой специальным клеем.

Стекла кузовов легковых автомобилей выполняют многослойными с высокой теплоотражающей способностью. Такие стекла эффективно защищают от теплового воздействия извне, причем теплоотражающая способность никак не сказывается на их прозрачности. Они уменьшают интенсивность ультрафиолетовых лучей и обладают шумоизолирующими свойствами. Для этого в многослойной структуре стекла предусмотрены защитная и отражающая прослойки. Многослойная конструкция травмобезопасна, потому что между слоями стекла находится защитная пленка, предотвращающая образование осколков.

Производители автомобилей большое внимание уделяют травмобезопасным конструкциям кузова, которые описаны в разделе «Системы пассивной безопасности».