Как усилить кузов автомобиля
Усиление кузова. Как добавить жесткости кузову малой кровью /Ликбез/
Решил поделиться с сообществом одной из полезных записей из моего блога.
Сегодня поговорим о жесткости кузова.
Шасси/кузов автомобиля контактирует с дорожным покрытием через колеса и пружины/амортизаторы. При езде по ухабистой дороге ударные нагрузки поглощаются амортизаторами, но если кузов недостаточно жесткий (изначально или же в связи с естественным износом), он не сможет удержать амортизаторы в их начальном положении и примет на себя часть ударных нагрузок, что ведет к изгибанию кузова (в критических моментах даже к невозвратной деформации кузова). То же самое происходит и при прохождении поворотов — кузов превращается в один большой торсион и крутится под воздействием боковых перегрузок вызванных перемещением центра массы автомобиля.
При кручении кузова трудно предвидеть его поведение и четко контролировать движение автомобиля.
Чем выше жесткость кузова тем лучше управляемость и информативность управления.
Радикальный способ повысить жесткость кузова до максимума — проварка заводских точек жесткости и установка силового трубчатого каркаса. Но так как мы говорим о тюнинге гражданских авто, а не о постройке гоночного монстра, установка каркаса нам не подходит.
Хороший способ частично увеличить жесткость — распорки.
А дальше будут слайды 🙂 Жаль, что Д2 не поддерживает анимированные картинки. Для просмотра анимированных картинок копируйте ссылки в описании фото и открывайте в новом окне.
Фирма Ультрарейсинг сделала отличные наглядные анимации работы различных распорок.
Распорка стоек + распорка нижних рычагов на ухабах
Часть нагрузки передается на кузов, вызывая деформацию стаканов стоек и нижних рычагов.
Установка распорок снижает деформации кузова.
Распорка стоек + распорка нижних рычагов при прохождении поворотов
Вес перемещается на одну сторону, управление нестабильное, кузов крутится.
Распорки распределяют нагрузку между двумя сторонами подвески.
Распорка передних лонжеронов
При ускорении, торможении и на ухабах передние лонжероны гнутся под ударными нагрузками.
Распорка лонжеронов распределяет ударные нагрузки, уменьшая нагрузку на лонжерон. Рекомендовано при использовании нестандартных жестких амортизаторов и заниженных пружин.
На неровной и ухабистой дороге центральная часть кузова прогибается из-за перераспределений веса.
Распорка уменьшает деформации кузова.
Стабилизатор курсовой устойчивости
При прохождении поворотов вес перемещается на одну сторону, вызывая крен и плохую курсовую устойчивость и управление в целом.
Стабилизатор уменьшает крены и позволяет равномерно распределить весь в повороте.
Вот такие основные элементы, позволяющие ощутимо увеличить жесткость кузова и управляемость автомобилем. Так же при жестком кузове более ощутимым будет эффект от установки улучшенных элементов подвески (стоек, пружин, полиуретановых втулок и пр.)
О минусах таких модификаций говорить не буду. Тюнинг — это всегда компромисс.
Усиление кузова
Все мы помним мультипликационные автомобильчики с гибкими, пластичными формами, которые могут выгибать «спину», будто кошки, пожимать «плечами», «улыбаться» бампером, оглядываться, сгинать и разгинать свой нарисованный кузов. Как бы это ни было удивительно, в реальности всё обстоит почти так же, хотя и не настолько гипертрофированно: кузова наших автомобилей в процессе езды испытывают колоссальные нагрузки, и их геометрия не остаётся неизменной.
Если старенький «универсал» одним из задних колес стоит на высоком бордюре, заднюю дверцу вы уже захлопнете не без труда. Если вы поддомкратите одно из колёс и станете закрывать ближайшую боковую дверь — она ощутимо подпрыгнет, чтоб попасть на своё родное место. Чем старше машина, тем это заметнее. Всё потому, что с годами накапливается усталость металла, и бывший сбитый бодрячок начинает вести себя как расхлябанный алкоголик: кузов ощутимо «ходит» даже при переезде по диагонали через лежачего полицейского.
«Играющий» кузов заметно снижает точность управления в поворотах, бьёт по нервам при езде по колдобинам и выбоинам, а поскольку наши дороги на 90% состоят из холмов и буераков с колдобинами и выбоинами — на всё нервов не хватит. Если кузовная жесткость ослабла, то повороты авто будут происходить с задержкой по причине замедления реакции конструкции машины. «Играющий» металл в местах крепления рычагов будет вызывать рассогласованность в работе задней и передней подвесок. От постоянного действия сил скручивания произойдёт быстрое старение кузова, разойдутся сварные швы, интенсивно прогрессирует коррозия…
От чего зависит прочность кузова?
Кратко — от страны производителя, от материала кузова, от качества штамповки и сварки, от формы кузова, величины, от его возраста. Не будем брать элитные марки типа Роллс-Ройса и Феррари, с ними всё понятно — на них денег не жалеют. А вот массовым производителям приходится искать золотую середину между ценой и прочностью.
Немецкие кузова прочнее японских, японские прочнее французских, итальянских, корейских и американских… Немцы не экономят на материале, а немецкое качество вошло в поговорку. Почти то же можно сказать о японцах. Жаль, что нашим в этом плане похвастаться нечем. Если материал нормальный, то качество сварки и сборки подведёт… О формах кузова: универсал и минивэн наиболее подвержены эффекту «скручивания», далее идут по мере возрастания прочности пятидверные хэтчбеки, трёхдверные хэтчбеки, седаны, купе. Можно заметить явную тенденцию — однообъёмный кузов «слабее» двухобъёмного, и чем меньше дверных проёмов в машине, тем кузов прочнее. Большая машина «гибче» маленькой. Ну, и конечно возраст никто не отменял. Все мы с годами крепче не становимся.
Для кого особенно актуально усиление кузова?
Конечно, прежде всего, для профессиональных спортсменов. Именно благодаря их поискам и находкам мы имеем целый набор способов, приёмов и средств усиления кузова. Вспомните, как выглядят автомобили, специально переоборудованные для ралли, кросса или гонок на выживание. Но усиление кузова не менее актуально и для нас, рядовых автолюбителей — при наших дорогах, наших автомобилях, и при том, что абсолютное большинство из нас ездят на возрастных, и весьма возрастных иномарках. Актуально усиление кузова и для любителей спортивного стиля езды, ощущающих себя стрит-рейсерами в душе.
И для почтенных отцов семейств, прежде всего заботящихся о своих чадах и домочадцах — в плане безопасности. И для любителей основательности и стабильности во всём по жизни. Усиление кузова — это прочность, выносливость, безопасность, точность в управлении, которые нужны всем. Но как усилить машину?
Усиление кузова своими руками
Те, кто любит возиться с машиной у себя в гараже, кто любит мастерить и у кого это хорошо получается, конечно, могут многое улучшить самостоятельно.
Наиболее распространены несколько способов укрепления.
Сварка.
На заводе детали кузова соединяют методом точечной сварки, а это означает, что все основные заводские сварочные швы не лишне будет нормально проварить всплошную, желательно с накладками полос металла по линиям швов. Сварка применяется и в комбинации с другим распространённым способом укрепления — введением дополнительных укрепляющих элементов в угловые конструкции кузова — перемычек, косынок, штанг, перекладин, распорок, треугольников. Эти конструкции либо делают съёмными и вваривают только уши для них, на которые они затем крепятся болтами. Либо непосредственно приваривают к несущим элементам кузова. Чаще всего укрепляют передок кузова — именно он испытывает наибольшее влияние внешних сил при поворотах и «змейках». Популярный способ упрочнения кузова — передние распорки. К выгодам такой конструкции можно отнести простоту монтажа, умеренную цену, усиление жесткости передней части автомобиля, наконец, визуальную эстетичность. Более сложный способ усиления кузова — установка трубчатого каркаса безопасности. Для каждой модели авто набор укрепляющих элементов — испытанных, просчитанных, одобренных заводом-изготовителем. Обращайте внимание на сертификацию укрепляющих деталей, её наличие — подтверждение того, что завод-изготовитель испытал и одобрил данный элемент для установки на свою машину.
Вывод один: укреплять кузов необходимо, и нужно, чтобы это делали специалисты при помощи сертифицированных деталей.
Растяжки и Каркасы. Методы увеличения жесткости кузова и улучшения управления
Каркасы сегодня прочно заняли место в ряду самых популярных тюнинг-аксессуаров, а про распорки, наверно, не стоит даже и говорить – это вообще относится, чуть ли не к разделу стока. Как это не печально, но многие ставят каркасы и распорки из-за красоты, по принципу хуже не будет.
Немного теории
Кто учился в университете на техническую специальность, не понаслышке знает про предмет «Сопротивление материалов» или «Сопромат». Этот предмет считается одним из самых сложных в высшей школе, благодаря ему наша армия пополнилась не одним взводом молодых солдат. Для тех, кто учился на гуманитарных специальностях и ли просто не учился, рассказываем: сопромат изучает способность материала сопротивляться воздействию на него других тел. В нашем случае материал – это кузов, а другие тела – это дорога, силы инерции и другие побочные дорожные объекты, включая кузова других автомобилей. В купе действие этих факторов приводит к достаточно серьёзным последствиям для кузова вплоть до полной не пригодности автомобиля.
Приведём яркий пример: большинство бытовой техники продаётся в картонных коробках с вставками из пенопласта по внутреннему периметру. А теперь, если взять просто картонную коробку и начать скручивать, то проблем этим точно не возникнет, она легко складывается и мнётся. Теперь заклеим крышки скотчем, она всё ещё мнётся, но уже надо приложить достаточно большое количество усилий. А если вложить продольные распорки из пенопласта, которые прочно упираются в бока, теперь можно засовывать много килограммовую технику, даже забивать гвозди и играть в футбол – не прочный на вид картон без проблем с этим справится.
Тоже и с автомобилем, но в любом, даже самом жестком кузове, возникают деформации, пускай даже микроскопические. Для ещё одного примера возьмем, скажем, так «не новую» машину отечественного производства и поднимем её на домкрате. В 80% случаев при этом двери заклинит в проёмах, а это значит, что кузов деформировался! Как это влияет на поведение автомобиля? Главная прочностная характеристика автомобильного кузова — это его жесткость на скручивание. Если жесткость кузова невелика, тогда реакции на повороты руля становятся «размазанными» — изгиб кузова и податливость металла в зонах крепления рычагов подвески вносят рассогласование в работу передней и задней подвесок. К тому же постоянное скручивание заставляет кузов стареть интенсивнее. Начинают потихоньку «раскрываться» сварные швы, в образовавшиеся микротрещины пробирается коррозия. В общем, ничего хорошего. Также достаточно сильно на жесткость влияет и тип кузова. В этом плане 3-х дверные хэтчбеки и купе по жесткости намного впереди всех остальных именно из-за формы кузова, обеспечивающего максимальное сопротивление изгибу, ну а самыми мягкими считаются минивэны и универсалы.
Какие же причины не дают конструкторам добиваться максимально увеличения жесткости? Во-первых, это вес. Чем большим количеством металла мы усилим, тем тяжелее становится автомобиль. В итоге меняем «шило на мыло». Частично ситуацию спасают усилители из легкого карбона, но тут встаёт другая проблема – цена. Не последнюю роль играет и безопасность, ведь зона моторного отсека должна легко деформироваться, а следовательно быть как можно менее жесткой. Конструкторам приходится идти на компромисс и искать баланс в этих показателях.
Измеряется крутильная жесткость кузова в ньютон-метрах на градус (Нм/град.- чем больше силы (в ньютонах) приложить, тем на больший угол (в градусах) деформируется кузов). Чем выше эта величина, тем меньше деформируется кузов от приложенной скручивающей нагрузки.
Пути и способы увеличения жесткости
Вариантов увеличения жесткости много и их выбор зависит, прежде всего, от назначения автомобиля и толщины кошелька владельца. Первое это «распорки» или «растяжки».
Вариантов просто тьма – десятки разновидностей и сотни модификаций. Но всё же можно выделить основные виды: распорка передняя, распорка нижняя, распорка задняя, так же в эту группу можно добавить – «косынки» и «штанги»
Распорка передняя / Front Strut Bar
Это — элемент силовой структуры стоек крепления передней подвески.
Передние распорки — самый распространённый вид укрепления кузова, его плюсы очевидны – простота установки, небольшая цена, визуальная привлекательность и достаточно сильное увеличение жесткости передней части автомобиля. Их назначение — снижать деформацию и перемещение чашек кузова при повороте автомобиля. Результат установки зависит от автомобиля. Если его конструкция в целом сбалансирована, тогда результат, скорее всего, виден не будет. А для других данное устройство рекомендуется категорически. Например, для ВАЗовского «десятого» семейства. Там «гуляют» не только стойки, а деформируется весь щит передка! Кстати, для него тоже есть специальный усилитель, но об этом позже. На рынке сейчас можно наблюдать изобилие передних распорок, но принципиально различается лишь материал и способ крепления.
Обычная распорка работает исключительно на сжатие, но можно заставить работать её и на кручение, для этого чашку дополнительно усиливают ещё одним элементом – косынками (специальными толстыми стальными пластинами). В результате распорка начинает работать ещё и на кручение. Косынками можно так же усилить места колёсных арок, стоек подвески и рёбер жесткости всего кузова, в большинстве своём для этого придётся разобрать почти пол машины, по крайней мере весь салон точно, поэтому этот приём используется в основном на гоночных машинах.
Нижняя распорка уменьшает перемещение кронштейна рычага передней подвески, снижает напряжение, возникающее в кронштейне рычага и соединителе лонжерона с полом. Забирая часть нагрузки на себя, нижняя распорка уводит детали кузова из зоны высоких напряжений. В итоге улучшение управляемости, устойчивости, увеличение срока службы кузова. Установка достаточно трудоёмка.
Уменьшает перемещение задних стаканов, увеличивает общую жесткость кузова. Результат: улучшение управляемости, устойчивости. Главное, что надо учитывать: задняя распорка дает эффект лишь в том случае, если она закреплена за силовые элементы кузова, а не за промежуточные элементы (кронштейны крепления сидений, например). Задняя распорка, тоже достаточно легко устанавливается и демонтируется, но есть и отрицательные моменты: во первых это лишнее место в грузовом отсеке, во-вторых есть подводные камни, — задняя распорка может увеличить недостаточную поворачиваемость особенно если задняя часть машины укреплена ещё какими-то элементами. Если на машине стоит стоковая подвеска лучше отказаться от укрепления зада или укрепить его только одним усиливающим жесткость элементом.
Увеличение сварочных швов
Дело в том, что кузов на конвейере сваривается точечной сваркой, т.е. между точками сварки остаются промежутки. Естественно чем эти точки расположены плотнее, тем жестче конструкция. Однако увеличению их препятствует технологические проблемы в производстве и сложность их выполнения без спец.инструмента. Но эту проблему легко устранить квалифицированному сварщику с достойным оборудованием. Главное не нарваться на неквалифицированного сварщика и не нарушить физику кузова. Так же распространено приваривание новых дополнительных железных элементов в слабые участки кузова.
Эти агрегаты присутствуют и в стоке и имеют кучу свойств, которые влияют на управляемость, комфорт, так что обычно на заводских машинах стоят промежуточные, так сказать не слишком мягкие, не слишком жесткие. Варианта по их усовершенствованию два – усиление и замена. Побочные действия – повышение шума, чувствительность к неровностям и всё те же положительные свойства: управляемость и жесткость. Категорический не рекомендуется устанавливать стабилизаторы, поперечины в тандеме с задней распоркой особенно особенна на стоковую подвеску.
P.S.
Так же, очень важно заменить резинометаллические сайлентблоки на полиуретановые, или из другого подходящего материала. Подробнее о стабилизаторах и полиуретане читайте здесь:
www.drive2.ru/b/1443609/
Подрамники во многом схожи со стабилизаторами и поперечинами, разница только в глобальности, для некоторых версий подрамника понадобится серьёзные доработки всего переда автомобиля – переварка и перерезка, переделываются стаканы и даже амортизаторы, а на вид такие работы не слишком дружелюбны. Но зато эффект! Можно полностью изменить геометрию подвески, улучшить стабилизацию за счет увеличения кастора, увеличить колею а как следствие устойчивость и управляемость. Жесткость, естественно, тоже возрастёт.
Каркас, в гоночном автомобиле, выполняет не только свои прямые функции по защите пилота, но и великолепно усиливает кузов. Он обязателен к применению в любом гоночном автомобиле, разница только в его сложности. Каркас представляет собой сочетание жестко соединённых между собой стальных (сталь с временным сопротивлением на разрыв не менее 45 кг/кв. мм) холоднотянутых бесшовных труб, например 30ХГСА. По типу каркасы можно разделить грубо на две категории: омологированные и не омологированные. Первые вы можете установить к себе в автомобиль и вас могут допустить на официальные соревнования. Однако он очень сложен и доставляет определённые трудности, о которых поговорим ниже. Второй тип – это «гражданские» каркасы, попроще и естественно дешевле.
По типу установки тоже можно выделить два типа – вварные и разборные. Первые ввариваются непосредственно в силовую структуру кузова, т.е. извлечь его оттуда без «болгарки» будет невозможно. Во втором случае в кузов ввариваются только петли, а сами трубы прикручиваются к ним болтами. В этом случае жесткость немного ниже, зато есть возможность снять каркас. Замечу, что почти все машины чемпионатов СССР по кольцевым гонкам 70-80хх годов имели именно съёмный каркас.
Ремарка на счет жесткости болтовых каракасов, — нашел вот такой пост на дроме:
Трубы (или дуги) в каркасе можно разделить на главные и предохранительные. Встречаются «смешанные» варианты, например, где основной каркас вварен, а дуга около сидений снимается. Изготовить каркас можно и самому (естественно неомологированнный и возможно крайне опасный, а не безопасный), а можно приобрести уже готовый комплект. Главный побочный эффект каркаса — это вес. Средний каркас весит около 40 кг, что, совсем немало. Плюс к этому ухудшение обзорности и посадки-высадки, а также в качестве ремней можно использовать только не эластичные многоточечные ремни. Так что в повседневном пользовании эта вещь будет доставлять определённые трудности, ну, а самой главной проблем является сложность получения техосмотра, если у вас установлен каркас, придётся пройти не дну инстанцию.
Агрегаты жестко соединенные с кузовом
Еще в автоспорте широко применяется такой приём увеличения жесткости кузова, как включение в его силовую структуру агрегатов, например двигателя, коробки передач и главной передачи. Это значит, что все они жестко соединены с кузовом, что так же очень сильно увеличивает жесткость. Например подобные решения встречаются почти на всех «формулах», в т.ч. наших Формулах «1600» и «Русь». Вообще же родоначальником данной идеи был легендарный Колин Чемпмен, отец-основатель фирмы «Лотус», который впервые воплотил идею в жизнь на Лотусе-25 Формулы-1.
***
На жесткость кузова заметно влияет и то, как именно установлен силовой агрегат. Поэтому разница в результатах бывает выше у автомобилей классической компоновки — там жесткость на кручение повышает балка передней подвески. А вот в переднеприводных машинах с поперечным расположением двигателя и передней подвеской типа McPherson, заметную прибавку может дать спинка заднего сиденья! Например, в «восьмерках» и «девятках» заднее сиденье увеличивает жесткость кузова примерно на 1000 Нм/град из-за того, что спинка цельная и жесткая, а на многострадальном десятом семействе спинка раздельная и эта Нм/град испаряется. Поэтому ВАЗ рекомендует владельцам, как можно реже ездить со сложенным задним сиденьем — кузов при этом ослаблен и хуже сопротивляется скручивающей нагрузке. Так же стоит помнить, что вклеенные стекла тоже довольно сильно увеличивают жесткость кузова.
На самом деле в доработках можно выделить двух врагов – уменьшение веса и жесткость кузова, а это вещи друг друга взаимоисключающие, так что делайте выводы, борясь за уменьшение веса можно уменьшить жесткость, а что важнее вопрос не однозначный.
Англоязычные названия деталей каркаса:
Roll Cage — каркас безопасности
A-post gusset – вставка для соединения каркаса и передней стойки кузова
Данная вставка обеспечивает необходимую прочность при установке каркаса – вставка вваривается вдоль трубы каркаса и приваривается к передней стойке кузова – конструкция образует единое целое.
Dash bar – поперечная труба под панелью приборов
Увеличивает жёсткость и прочность каркаса при боковых ударах.
Door X bars – Х-образные усилители дверного проёма
Значительно увеличивает прочность и жёсткость дверного проёма при боковых ударах
Front cross – переднее перекрестие труб
Обеспечивает прочность в поперечном направлении силовой схемы
Hoop to A pillar tube – усилитель задней стойки и крыши
Предназначен для поддержки дуги на уровне крыши.
Hoop cross – Х-образная растяжка средней стойки
Обеспечивает прочность и жёсткость каркаса при опрокидывании на крышу.
Lower rear stay – растяжка от основания средней дуги до задней части кузова
Образует гипотенузу треугольника, обеспечивает большую жёсткость и прочность задней части кузова
Mid rear stay – растяжки от средней дуги до задней части кузова
Добавляет прочность задней части каркаса, обеспечивает защиту от боковых ударов.
Rear brace – задний
Обеспечивает большую прочность кузова и распределяет нагрузку от подвески на основания каркаса, может быть использован для крепления ремней безопасности.
Rear X – задняя Х-образная растяжка
Обеспечивает большую прочность задней части каркаса в отличие от диагональной растяжки. Обеспечивает распределение нагрузки от подвески на каркас безопасности (уменьшая нагрузку на кузов в целом). Увеличивает прочность.
Roof cross or roof ‘V’ – скрещенные или сваренные V-образно трубы у задней дуги
Увеличивает жёсткость каркаса и безопасность людей при опрокидывании на крышу.
Screen pillar support – поддержка трубы над лобовым стеклом
Важный элемент для салонов автомобилей последних лет с большим наклоном лобовых стёкол – обеспечивает поддержку в центре передней части крыши.
Seat harness tubes – труба для крепления ремней безопасности
Обеспечивает меньшую длину ремней безопасности и служит для них опорой. Задаёт оптимальные углы при натяжении ремней.
Single roof diagonal – диагональный усилитель крыши
Облегчённый вариант усилителя, обеспечивающий меньшую прочность и жёсткость каркаса.
Triangulation tubes in front – Треугольник из труб спереди каркаса
Обеспечивает распределение нагрузки от подвески на каркас безопасности (уменьшая нагрузку на кузов в целом). Обеспечивают защиту ног водителя и штурмана. Также обеспечивает защиту от боковых ударов и увеличивает нагрузку на дуги каркаса.
Tunnel brace – Кронштейн крепления каркаса с туннелем
Обеспечивает защиту от боковых ударов и поддержку основной дуги в случае переворота на крышу автомобиля. Уменьшает нагрузку на каркас распределяя её на кузов.