Безопасная конструкция кузова автомобиля

Конструкция кузова автомобиля (рис. 1) должна отвечать многим требованиям. С одной стороны, необходимо снижать его массу и улучшать аэродинамические качества, с другой стороны, все большее значение приобретают факторы пассивной безопасности автомобиля.

Рис. 1. 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

Кузов относится к элементу пассивной безопасности автомобиля и, чтобы в случае ДТП максимально снизить вероятность травм и летальных исходов, должен выполнять основные требования:

1. Передняя и задняя части автомобиля должны легко деформироваться и при ДТП складываться в «гармошку».
2. Для выживания пассажиров каркас салона автомобиля должен иметь максимальную жесткость и прочность. Для этого используют прочные и особо прочные стали, а некоторые конструктивные элементы в зоне каркаса автомобиля изготавливают методом горячей штамповки. Такие элементы позволяют уменьшить массу автомобиля, а также увеличить жесткость кузова.
3. В случае лобового столкновения двигатель должен перемещаться вниз от салона.
4. Зоны размещения ног в салоне водителя и пассажиров в случае ДТП должны минимально изменяться в объеме и геометрии.
5. Установка контура безопасности для уменьшения деформации и придания жесткости конструкции салона в виде диагональных и продольных брусьев кузова: в дверях автомобиля, передней и задней панелях салона.
6. Применение высокопрочных материалов для изготовления стоек автомобиля, обеспечивающих минимальную вероятность деформации крыши и днища салона, а также каркаса дверей.
7. Защита топливной системы от повреждения должна обеспечиваться жесткой геометрией подвески автомобиля и рациональным расположением топливного бака.
8. С целью смягчения удара при столкновении с пешеходом или другим объектом необходимо использовать эластичные защитные элементы на переднем бампере.

Жесткая конструкция салона кузова — основа безопасности при аварии. Для достижения высокой прочности кузова используются чрезвычайно прочные материалы, особенно в пассажирском пространстве, где допускаются только минимальные деформации. Чтобы удовлетворить противоречивые требования, конструкцию автомобиля совершенствуют в следующих направлениях:

• использование алюминиевых и магниевых сплавов;
• применение высокопрочного листового материала;
• оптимизация толщины панелей;
• новые технологии соединения деталей;
• достижение, по возможности, наименьших зазоров в соединениях.

Для выдерживания внешних нагрузок в легковых автомобилях используются преимущественно несущие кузова. Несущий кузов достаточно легкий, однако благодаря целостной конструкции обладает значительной жесткостью на кручение и на изгиб. Он представляет собой сочетание тонких стальных штампованных листов различной формы, соединенных вместе точечной сваркой.

Передняя и задняя части автомобиля обеспечивают максимальное поглощение энергии во время аварии. Специальные опоры двигателя не допускают его перемещения в салон. Деформация передней и задней частей автомобиля обеспечивается путем продольного складывания, так называемой «гармошки». Для этого коробчатые профили, из которых изготавливается кузов, имеют углубления и выступы в определенных расчетных местах — точках концентрации напряжений.

При фронтальном столкновении особое внимание уделяется минимизации смещения элементов конструкции автомобиля в пространство для ног водителя и пассажира.

Требования к прочности кузова при ударе сзади состоят из жесткости каркаса салона и деформируемости задней части кузова. Защита топливной системы от удара сзади обеспечивается геометрией задней подвески и расположением топливного бака.

При боковом столкновении важнейшими конструктивными элементами, воспринимающими основную энергию бокового удара, являются средняя стойка и двери. При их изготовлении используются сверхвысокопрочные материалы. Центральным звеном системы является средняя стойка, которая переносит возникающие силы на порог и каркас крыши. Двери, усиленные диагональными брусьями безопасности, также гасят чрезмерную энергию столкновения. Таким образом, при боковом столкновении достигается невысокая скорость смятия и минимальное смещение конструктивных элементов внутрь салона.

При расчете передней части автомобиля учитываются дополнительные силы инерции и жесткость таких элементов, как двигатель и колеса.

Первоначальной целью конструкторов является проектирование такого автомобиля, чтобы его внешняя форма способствовала минимизации последствий при основных видах ДТП (при столкновениях, наездах, а также при повреждениях самого транспортного средства).

Наиболее тяжелым травмам подвергаются пешеходы, которые наталкиваются на переднюю часть автомобиля. Последствия столкновения с участием легкового автомобиля могут быть уменьшены лишь конструктивными мерами, которые включают:

• убираемые фары;
• спрятанные заподлицо стеклоочистители;
• заделанные заподлицо с панелями сточные желоба;
• утопленные дверные ручки.

Определяющими факторами обеспечения безопасности пассажиров являются:

• деформационные характеристики кузова автомобиля;
• длина пассажирского отсека, объем пространства для выживания во время и после возникновения столкновения;
• удерживающие системы;
• зоны возможного столкновения;
• система рулевого управления;
• извлечение пользователей;
• противопожарная защита.

Для защиты от ударов на легковых автомобилях имеются три различные области, которые в случае аварии должны принимать удар на себя: верхняя, средняя и нижняя поверхности, т.е. соответственно крыша, боковая часть и днище автомобиля. Целью всех мер по защите от удара является минимизация деформации кузова и, следовательно, минимизация риска травматизма пассажиров при ударе. Она достигается за счет того, что возникающие при ударе силы целенаправленно действуют на конкретный компонент структуры кузова (рис. 3). Таким образом, снижается коэффициент деформации деталей, на которые приходится удар, так как возникающие при этом силы распределяются по большей площади.

Рис. 3. Распределение сил при ударе: а — боковой удар; б — лобовой удар

Чтобы силовая конструкция кузова могла соответствовать предъявляемым требованиям, в ней используются прочные и особо прочные стали.

Одним из способов повышения безопасности при изготовлении кузовов является применение многофункциональных литых узлов, имеющих оптимизированные по толщине и массе стенки, а также оптимизированную общую конфигурацию. Такие узлы изготовлены из алюминиевых сплавов и отливаются в вакууме. Эти детали обладают не только высокой прочностью, но и высокой пластичностью. Поэтому их используют преимущественно в составе узлов, заведомо деформируемых при ДТП, например в виде лонжеронов, опор амортизаторных стоек, а также передних и центральных стоек кузова. Например, отливаемый в вакууме лонжерон (рис. 4) обладает рядом преимуществ по сравнению с лонжероном, изготовляемым по обычной технологии. Обе половины лонжерона оптимизированы по толщине стенок, а их конструкция и размещение ребер рассчитаны на строго определенные деформации. Места крепления подвески на нижних частях лонжеронов сконструированы так, что энергия удара расходуется прежде всего на деформацию лонжеронов, а не относительно жесткого подрамника. Обе литые части лонжерона образуют многофункциональную конструкцию: они воспринимают усилия с объединенной подвески двигателя и коробки передач, служат в качестве опор для домкрата и несут проушину для буксировки.

Рис. 4. Передний лонжерон автомобиля Audi A2, установленный на болтах: 1 — лонжерон; 2 — подрамник

Боковой удар или боковое столкновение имеют свою специфику в части повреждения водителя или пассажира при аварии. Запас зоны деформации при боковом столкновении, в отличие от передней или задней части автомобиля, составляет незначительную величину — всего 100…200 мм.

Фирма Faurecia разработала механизм для предотвращения последствий бокового удара (рис. 5). Механизм начинает работать за 0,2 с до столкновения по коду специальных сенсоров. По команде контроллера уже через 60 мс удлиняется изготовленный из сплава «с памятью» (Shape Memory Alloy) стержень 2, установленный под сиденьями поперек кузова автомобиля, выдвигая стальной штырь почти до самой двери. Одновременно срабатывает механизм внутри двери, поворачивая в рабочее положение упор 3. Теперь при боковом ударе дверь не сможет вмяться внутрь кузова. Указанный механизм позволяет уменьшить деформацию двери внутрь кузова на 70 мм.

Рис. 5. Механизм для предотвращения последствий бокового удара: а — исходное состояние механизма; б — рабочее состояние механизма; 1 — штырь; 2 — стержень; 3 — поворотный упор; 4 — возвратная пружина

Работа механизма обратима, так как в нем нет одноразовых пиропатронов. Если аварии не случилось, штанга укоротится до исходной длины, а пружина подтянет штырь обратно.

В процессе разработки кузова, наряду с безопасностью пассажиров, все большее внимание уделяется безопасности пешеходов. Для снижения риска травматизма пешеходов в переднем бампере автомобиля используется эластичный ударопоглощающий (защитный) элемент. Он позволяет достичь определенной зоны деформации передней части кузова при ударе.

Особенностями пассивной безопасности легковых автомобилей с кузовом «кабриолет», у которых отсутствует крыша, является защита пассажиров при опрокидывании автомобиля. В таких автомобилях усилены стойки и двери. Кроме того, за подголовниками задних сидений расположено по одному активному элементу безопасности. Вместе с усиленными стойками активные элементы обеспечивают защиту пространства для выживания при опрокидывании автомобиля (рис. 6).

В состоянии покоя электромагниты элемента безопасности обесточены и удерживают элементы с помощью фиксирующей планки во вдвинутом положении. Если блок управления подушек безопасности распознает столкновение или угрозу опрокидывания автомобиля, на электромагниты подается напряжение и они освобождают элементы безопасности. Находящиеся в сжатом состоянии пружины распрямляются и выдвигают элементы безопасности за 0,25 с.

Рис. 6. Защита пассажиров при опрокидывании автомобиля на примере Volkswagen EOS: 1 — элемент безопасности в исходном положении; 2 — элемент безопасности после срабатывания

Выдвинутые элементы безопасности можно разблокировать механически и вновь вернуть в исходное положение.

Защита при опрокидывании автомобиля срабатывает при помощи блока управления подушек безопасности при сильных лобовых, боковых и задних столкновениях, при опрокидывании автомобиля или при предельном боковом крене.

Конструкция рулевой колонки ограничивает движение рулевого колеса в случае фронтального удара. Конструкция педалей гарантирует соскальзывание в случае удара, уменьшая риск травмы ноги водителя.

Кузов — основа безопасности современного автомобиля. Сочетание специальных сминаемых зон, зон с повышенной энергоемкостью удара, успешное обеспечение прогрессивной деформации — вот лишь некоторые качества, присущие современному безопасному кузову.

Когда тяжесть аварии велика, есть вероятность того, что двигатель и (или) другие силовые агрегаты автомобиля могут проникнуть в его салон. Чтобы избежать этого, салон окружают особой «решеткой безопасности», которая помогает достичь наибольшей защиты водителя и пассажиров в подобных случаях. Такие же элементы жесткости (ребра, трубы и брусья) можно найти и в других элементах автомобиля, например в дверях (защита на случай боковых столкновений). Также в кузове присутствуют области погашения энергии.

Как правило, при тяжелой аварии автомобиль резко и неожиданно замедляется, вплоть до полной остановки. В результате этого тела водителя и пассажиров испытывают колоссальные перегрузки, и в некоторых случаях летальный исход неизбежен. Это означает, что жизненно важно найти способ, который помог бы уменьшить нагрузки на тело человека. Одним из вариантов решения этой задачи является проектирование областей разрушения, которые могли бы снижать энергию столкновения в передней и задней части кузова автомобиля. При этом разрушение автомобиля будет более сильным, так как кузов возьмет на себя значительную часть энергии удара, но пассажиры уцелеют. Обратный эффект может быть при авариях старых автомобилей, когда на машине остаются легкие царапины, а пассажиров приходится везти в реанимацию.

Конструкция современного кузова автомобиля предполагает, что при аварии определенные части кузова деформируются по отдельности.

Кроме того, в конструкции кузова широко применяются высоконапряженные листы металла, благодаря чему кузов становится более жестким, одновременно не увеличивая вес автомобиля.

Для производства кузовных элементов немецкие компании BASF и SGL разработали новый легкий и прочный материал, состоящий из полиамидной смолы и углеродного волокна. Специалисты BASF занимались разработкой новых полимерных матриц, а инженеры SGL готовили проекты термообработки нового материала при высоких температурах и сочетания его с углеродным волокном.

В конструкции новой, четвертой по счету генерации Range Rover компании Land Rover главным материалом является алюминий. Он применен как в постройке кузова, так и в деталях подвески. Новая модель получила цельный алюминиевый кузовной каркас. Благодаря этому конструкторам удалось снизить массу автомобиля на 420 кг, что на 39 % легче, чем масса стального кузова предыдущей модели.