Рама (автомобиль)

Рама пикапа Chevrolet 1956 года.

Рама автомобиля Land Rover III. 2008 год.

Ра́ма в разновидность несущей системы автомобиля, остов для крепления кузова и агрегатов.

У автомобилей с несущим кузовом либо функции рамы выполняет сам кузов, либо рама (или заменяющие её подрамники) конструктивно объединена с кузовом и не может быть от него отделена без нарушения структурной целостности. К отдельной раме кузов обычно крепится при помощи кронштейнов на болтах с толстыми резиновыми прокладками, служащими для уменьшения уровня вибраций.

К раме автомобиля крепятся все агрегаты в двигатель, трансмиссия, мосты, подвески. Вместе они образуют шасси. Рамное шасси представляет собой законченную конструкцию, которая, как правило, может существовать и передвигаться отдельно от кузова.

В настоящее время рамные шасси применяют главным образом на тракторах и грузовых автомобилях, но в прошлом многие легковые автомобили также имели рамное шасси. Также отдельную раму часто имеют «жёсткие» внедорожники.

В автомобилестроении различают следующие виды рам: лонжеронные, периферийные, хребтовые, вильчато-хребтовые, несущее основание, решётчатые (они же трубчатые, пространственные).

История

Рамы появились на заре развития автомобильной техники. Отдельная рама была чисто автомобильным решением несущей системы, причём идея был позаимствована у железнодорожного транспорта, так как конные экипажи обходились деревянным каркасом кузова из-за существенно меньших нагрузок.

Изначально рамы делали из твёрдого дерева, реже в круглых металлических труб.

В первое десятилетие XX века получили повсеместное распространение рамы из штампованных профилей прямоугольного сечения, на грузовиках их конструкция и до нашего времени изменилась лишь в деталях.

В 1915 году Х. Хэйз (H.J. Hayes) предложил несущий кузов, выполняющий функции рамы. Реализована на практике эта идея была намного позже. В последующие годы несущие кузова получают всё большее распространение, и перед Второй мировой войной они уже были достаточно привычны. Массовыми они стали уже в послевоенный период.

В двадцатые годы чехословацкая фирма «Татра» разработала хребтовую раму, применив её на ряде легковых и грузовых моделей. Широкого распространения за пределами чехословацкого автопрома эта схема, впрочем, не получила (единственным без всяких оговорок массовым примером её использования «в чистом виде» был Фольксваген Жук, но его конструкция была частично скопирована как раз с разработок «Татры», что в послевоенные годы было подтверждено в ходе судебного разбирательства).

В тот же период времени появляются первые кузова с пространственной рамой, первым примером была Lancia Lambda 1922 года (иногда считается первым автомобилем с несущим кузовом, но скорее она имела трубчатую пространственную раму). Разработчики были вдохновлены конструкцией лодочных корпусов.

Практически одновременно на фирме «Обурн» («Auburn») в США была создана лонжеронная рама с Х-образной поперечиной, объединявшая высокую крутильную жёсткость и относительную лёгкость.

Несущий кузов автомобиля Nash 1942 года.

В тридцатые годы в Европе всё больше производителей легковых автомобилей отказываются от рамы, применяя на своих конструкциях самонесущий кузов в правда, в оконечности его устанавливают подрамники, зачастую съёмные, весьма напоминающие «половинки» обычной лонжеронной рамы.

Некоторые европейские автомобили тех лет, например довоенный Ford Prefect или КИМ-10, имели сильно облегчённую раму, которая хотя и была физически отделена от кузова, но сама по себе не имела достаточной жёсткости для восприятия возникающих при движении автомобиля нагрузок, делая это лишь в сборе с полунесущим кузовом; такая рама служила для облегчения сборки автомобиля на заводе в на конвейере сначала к раме крепили все агрегаты, а затем её уже в подсобранном виде крепили к кузову.

Однако в США тех лет по прежнему большинство производителей продолжают выпускать автомобили с рамным шасси, во многом в из-за традиции ежегодного обновления дизайна: при рестайлинге меняли кузов, но рама могла оставаться практически без изменений многие годы. Американская фирма Nash, напротив, перешла на несущие кузова, но это её и сгубило: «Нэш» не поспевал за заданными лидерами рынка форсированными темпами обновления дизайна модельного ряда, так как в случае несущего кузова это было очень сложной и дорогостоящей задачей.

После Второй мировой войны, в Европе новые легковые модели строят преимущественно с несущими кузовами, в Америке же большинство производителей сохраняют приверженность отдельным рамам. По конструкции они были в целом подобны довоенным, за исключением изменений, необходимых для установки независимой передней подвески (которая стала фактически стандартом на послевоенных легковых автомобилях) и некоторого снижения высоты лонжеронов относительно земли для облегчения входа и выхода из машины.

В 1948 году американская фирма «Хадсон» (Hudson Motor Car Company) создаёт линейку моделей Step-Down («Шаг вниз»), которые имели очень низко расположенную периферийную раму с широко раздвинутыми лонжеронами в центральной части, которые располагались непосредственно за внешними порогами кузова. Жёсткость такой рамы была ниже, чем у обычной для тех лет лонжеронной с Х-образной поперечиной, но при этом пол пассажирского отделения располагался полностью между её лонжеронами, а не над ними, что позволило значительно опустить пол, а значит в и сидения, и крышу в на несколько сантиметров; автомобиль получился очень низким для тех лет, визуально более динамичным и обтекаемым, а расположение пассажиров в салоне в более рациональным. В его кузов уже не входили, как в карету или автобус, а садились.

На рубеже пятидесятых и шестидесятых годов некоторые фирмы пытались экспериментировать с хребтовыми и Х-образными рамами (в СССР например Х-образную раму имела «Чайка» ГАЗ-13 1959 года, а в Америке в полноразмерные модели «Шевроле» начала и первой половины шестидесятых). Но основная масса легковых автомобилей с рамным шасси сохраняла лонжеронные рамы.

Массовое распространение периферийных рам в США приходится на начало-середину шестидесятых годов, и совпадает с массовым уменьшением высоты автомобилей.

Кроме этого, широко расставленные лонжероны в центральной части позволяли значительно улучшить пассивную безопасность. С этой же целью в начале семидесятых годов в конструкцию рам американских автомобилей начинают вводить элементы запрограммированной деформации, например, на автомобилях Ford в передней части рамы имелся S-образный деформируемый элемент, гасящий кинетическую энергию при ударе.

Рамы американских легковых автомобилей с середины шестидесятых в семидесятых годов до настоящего времени практически не претерпели изменений. Однако, их распространённость с тех пор сильно уменьшилась в если ещё в конце семидесятых основная масса американских автомобилей, кроме «компактов» (compact cars) и «субкомпактов» (sub-compact cars), имела отдельные рамы, в то в наши дни это в основном удел больших паллетных пикапов и внедорожников, а также редких моделей легковых автомобилей, конструктивно восходящих к семидесятым годам в например, Ford Crown Victoria и Lincoln Continental.

Следует отметить, что со временем содержание понятия «несущий кузов» претерпело весьма существенную трансформацию. Первые несущие кузова, появившиеся на массовых автомобилях в 1930-е годы, по сути сохраняли элементы, аналогичные по конструкции раме в передний и задний подрамники. Характерной в этом отношении может считаться конструкция несущих элементов кузовов отечественных автомобилей «Победа» и «Волга» ГАЗ-21: хотя их кузов и считался самонесущим, в его оконечностях имелись полноценные лонжеронные подрамники, причём передний подрамник был конструктивно отъёмным и по сути представлял собой короткую, до середины автомобиля, раму (именно так он и именовался в заводской документации). Задний подрамник был уже вварен в кузов, но по конструкции всё ещё повторял заднюю часть обычной лонжеронной рамы.

Впоследствии появились кузова, у которых подрамники отсутствовали, и основные нагрузки воспринимались внутренней обшивкой кузова, имеющей различные усилители в наиболее нагруженных местах. Например, в кузове «Жигулей» и их итальянского прототипа Fiat 124 подрамники в виде фрагментов лонжеронной рамы как таковые конструктивно отсутствуют, а силовая структура передка образована нижними частями брызговиков передних крыльев, к которым изнутри приварены усилители в виде П-образных профилей, вместе с ними образующие замкнутое коробчатое сечение и, таким образом, с функциональной точки зрения исполняющие роль передних лонжеронов, на которые снизу крепится поперечина, играющая роль балки передней подвески. Образующие внешнюю обшивку кузова в области передка передние крылья и фартук переднего бампера в кузове «Жигулей» приварены к брызговикам, и наряду с ними воспринимают некоторую часть нагрузки, возникающей при движении автомобиля. Таким образом, этот тип несущего кузова является полумонококом в конструкцией, у которой основную нагрузку воспринимает сама обшивка, а каркас максимально редуцирован, облегчён и не может быть физически отделён от обшивки. Это позволило ещё больше облегчить кузов, повысить его технологичность и удешевить производство, хотя конструкция и стала менее живучей, в особенности при эксплуатации по плохим дорогам, а также более сложной в ремонте.

Современные несущие кузова представляют собой сложные конструкции, сваренные или склеенные из стальных или алюминиевых штамповок и рассчитанные на наиболее эффективное поглощение энергии при деформации во время дорожно-транспортного происшествия, при этом сформированные обшивкой полости образуют вокруг пассажирского салона мощную «клетку безопасности». Термин «подрамник» по отношению к современному кузову обозначает уже не несущий элемент его конструкции, а лишь крепящийся к несущему кузову снизу облегчённый каркас, на котором для удобства конвейерной сборки автомобиля предварительно монтируются детали передней и задней подвески, двигателя, трансмиссии.

Конструкция

Отличительная конструктивная особенность любой рамы в разделение функций несущих (силовых, воспринимающих рабочие нагрузки) элементов кузова и его декоративных панелей. При этом сами декоративные панели также могут иметь свой усиливающий каркас, например, в районе проёмов дверей, но он практически не участвует в восприятии нагрузок, возникающих при движении автомобиля. Классификация рам производится на основании типа используемой в них несущей структуры.

Лонжеронные рамы

Лонжеронная рама с Х-образной поперечиной.

Лонжеронные рамы состоят из двух продольных лонжеронов и нескольких поперечин, также называемых «траверсами», а также креплений и кронштейнов для установки кузова и агрегатов. Форма и конструкция лонжеронов и поперечин могут быть различными; так, различают трубчатые, К-образные и Х-образные поперечины. Лонжероны как правило имеют сечение швеллера, причём обычно переменное по длине в в наиболее нагруженных участках высота сечения зачастую увеличена. Иногда они хотя бы на части своей длины имеют замкнутое сечение. Они могут быть параллельны друг другу, либо располагаться друг относительно друга под некоторым углом. Детали рамы соединяются заклёпками, болтами или сваркой. Грузовые автомобили обычно имеют клёпаные рамы, легковые и сверхтяжёлые самосвалы в сварные. Болтовые соединения находят применение обычно при малосерийном производстве.

Лонжеронная рама имеет обычно небольшую высоту и расположена практически целиком под кузовом, а последний крепится к её кронштейнам сверху через резиновые подушки.

Лонжеронные рамы применяются практически на всех грузовиках, в прошлом широко применялись и на легковых автомобилях в в Европе до конца сороковых, а в Америке в до конца восьмидесятых в середины девяностых годов. На внедорожниках лонжеронные рамы широко применяются по сей день. Ввиду такого широкого распространения, обычно в популярной литературе под словом «рама» понимают именно лонжеронную раму.

К лонжеронным ряд источников относит также периферийные (часто выделяемые в отдельный тип) и Х-образные рамы (последние другими источниками классифицируются как разновидность хребтовых).

Периферийные рамы

Перевёрнутый универсал «Меркури», видна периферийная рама с широко расставленными в центральной части лонжеронами.

Иногда рассматриваются как разновидность лонжеронных. У такой рамы расстояние между лонжеронами в центральной части увеличено настолько, что при установке кузова они оказываются непосредственно за порогами дверей. Так как слабыми местами такой рамы являются места перехода от обычного расстояния между лонжеронами к увеличенному, в этих местах добавляют специальные коробчатые усиления, в англоязычных странах называемые термином torque box (аналогичные силовые элементы нередко имеются и на автомобилях с несущим кузовом).

Это решение позволяет существенно опустить пол кузова, разместив его полностью между лонжеронами, а следовательно в уменьшить общую высоту автомобиля. Поэтому периферийные рамы (англ. Perimeter Frame) широко применялись на американских легковых автомобилях начиная с шестидесятых годов. Кроме того, расположение лонжеронов непосредственно за порогами кузова весьма способствует повышению безопасности автомобиля при боковом столкновении. Этот тип рамы использовался на советских легковых автомобилях ЗИЛ высшего класса начиная с модели -114.

Хребтовые рамы

Хребтовая рама грузовика «Татра».

Этот тип рамы был разработан чехословацкой фирмой «Татра» в двадцатые годы и является характерной конструктивной особенностью большинства её автомобилей.

Главным конструктивным элементом такой рамы является центральная трансмиссионная труба, жёстко объединяющая картеры двигателя и узлов силовой передачи в сцепления, коробки передач, раздаточной коробки, главной передачи (или главных передач в на многоосных автомобилях), внутри которой расположен тонкий вал, заменяющий в этой конструкции карданный. При использовании такой рамы необходима независимая подвеска всех колёс, как правило реализуемая в виде крепящихся к хребту по бокам двух качающихся полуосей с одним шарниром на каждой.

Преимущество такой схемы в очень высокая крутильная жёсткость, кроме того, она позволяет легко создавать модификации автомобилей с различным количеством ведущих мостов. Однако ремонт заключённых в раме агрегатов крайне затруднён. Поэтому такой тип рамы применяется очень редко, обычно на грузовиках высокой проходимости с большим количеством ведущих мостов, а на легковых автомобилях совершенно вышел из употребления.

Вильчато-хребтовые рамы

Рама довоенной «Шкоды» с подмоторной вилкой в передней части.

Разновидность хребтовой рамы, у которой передняя, иногда в и задняя части представляют собой вилки, образованные двумя лонжеронами, которые служат для крепления двигателя и агрегатов.

В отличие от хребтовой рамы, как правило (но не всегда) картеры узлов силовой передачи выполняются отдельными, и, при наличии необходимости в нём, используется обычный карданный вал. Такую раму имели в числе прочих представительские автомобили «Татра» Т77 до Т87.

К этому же типу часто относят и Х-образные рамы, которые другими источниками рассматриваются как разновидность лонжеронных. У них лонжероны в центральной части очень сильно приближены друг к другу и образуют закрытый трубчатый профиль. Такая рама использовалась на советских автомобилях «Чайка» ГАЗ-13 и ГАЗ-14 высшего класса.

Несущее основание

Рама в несущее основание автомобиля «Фольксваген Жук».

Эта рама объединена с полом кузова для повышения жёсткости.

Такую конструкцию имели в числе прочих «Фольксваген Жук» (впрочем, его рама благодаря наличию массивной центральной трубы ближе всё же к вильчато-хребтовой) и автобус ЛАЗ-695. В настоящее время эта схема считается достаточно перспективной благодаря возможности на одной и том же несущем основании строить самые разные автомобили как на платформе.

Решётчатые

Решётчатая рама спортивного автомобиля.

Также называются трубчатыми (tubular frame) или пространственными (spaceframe).

Решётчатые рамы имеют вид пространственной фермы из сравнительно тонких труб, часто выполненных из высокопрочных легированных сталей, которая обладает очень высоким отношением крутильной жёсткости к массе (то есть, они лёгкие и очень прочные на кручение).

Такие рамы применяют либо на спортивных и гоночных автомобилях, для которых важна малая масса при высокой прочности, либо на автобусах, для угловатых кузовов которых она очень удобна и технологична в производстве.

Несущий кузов можно рассматривать как разновидность пространственной рамы, где практически всю нагрузку воспринимает обшивка, а собственно каркас до предела облегчён и редуцирован.

Интегрированная в кузов рама (Frame-in-body, UniFrame)

Такая рама повторяет по конструкции обычную, но физически неотделима от кузова, то есть, имеет с ним неразборное сварное соединение.

От обычного несущего кузов с интегрированной рамой отличается тем, что у первого имеются как максимум лишь подрамники в оконечностях, а интегрированная рама имеет настоящие лонжероны, идущие от переднего бампера до заднего. Такой кузов не имеет многих преимуществ отдельной рамы в гашения вибраций, лёгкости кузовного ремонта, простоты создания модификаций с различными типами кузовов на единой раме и других, но иногда оказывается несколько более удобным и дешёвым в производстве, чем несущий кузов, а также лучше воспринимает нагрузки, возникающие при перевозке грузов и движению по бездорожью. Этим и определяет круг использования такой конструкции в современном автомобилестроении в главным образом, пикапы и внедорожники.

Примеры автомобилей с интегрированной рамой в Иж Комби с вваренной в кузов лонжеронной рамой (представляющей собой соединённые дополнительными элементами передний и задний подрамники «Москвича-412»), ВАЗ-2121 «Нива», ЛуАЗ-969, Volga Siber / Chrysler Sebring с также интегрированной в несущую структуру кузова периферийной рамой.

Преимущества и недостатки рамной конструкции

Преимущества

• Рама достаточно проста по конструкции относительно самонесущих кузовов и имеет хорошо отработанные методики расчёта;
• При применении на легковом автомобиле, отдельная от кузова рама позволяет повысить его комфортабельность, обеспечивая лучшую изоляцию от вибраций и шумов, исходящих от агрегатов и шин;
• Отдельная рама считается более пригодной для восприятия больших паллетных нагрузок, например при использовании на грузовике или «жёстком» внедорожнике;
• На одной и той же раме могут строиться самые различные модификации и даже автомобили; раму легко удлинить без потери прочности, например для создания многоосного грузовика, удлинённого автобуса или лимузина;
• Рамная конструкция упрощает сборку автомобиля на заводе, в итоге снижая себестоимость в все основные агрегаты собираются на раме, после чего она в сборе прикрепляется к кузову, что проще, чем крепить агрегаты по отдельности на несущем кузове;
• Отдельная рама позволяет легко видоизменять кузов легкового автомобиля, варьировать дизайн и создавать различные модификации, что было одним из основных факторов, обеспечивших широкую распространённость рамных шасси в автостроении США до восьмидесятых годов из-за традиции ежегодного обновления дизайна и частого рестайлинга автомобилей; при рестайлинге меняли кузов, а рама зачастую оставалась прежней. Например, Ford Crown Victoria моделей 1979, 1992 и 1998 годов отличались кузовами, но имели практически идентичные рамы;
• Кузовной ремонт рамного кузова после ДТП существенно проще, чем несущего;

Недостатки

• Разделение функций рамы и кузова приводит к существенному увеличению массы относительно несущего кузова;
• В легковом автомобиле проходящие под кузовом лонжероны рамы «съедают» существенную часть объёма пассажирского салона;
• Рамные автомобили, как правило, при прочих равных (сравнимые размеры, масса, класс автомобилей) имеют худшую пассивную безопасность из-за сложностей с созданием зон запрограммированной деформации;
• Плоская рама уступает по жёсткости на кручение объёмной конструкции несущего кузова (не относится к решётчатым и хребтовым рамам);

Другое дело, что например грузовику или вездеходу, в отличие от дорожного легкового автомобиля, больша́я жёсткость кузова на кручение часто и не нужна; более того в ограниченная способность рамы деформироваться под действием закручивающих сил нередко улучшает проходимость, что наблюдалось в частности на грузовиках ЗИС-5 и ГАЗ-АА, клёпаная рама которых могла при закручивании деформироваться с амплитудой до нескольких сантиметров, что эквивалентно увеличению ходов подвески. Также работающую на скручивание раму имеют автомобили Унимог, причём деформация рамы для улучшения проходимости заложена в конструкцию изначально;