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.