Несущие конструкции: где-то жестче, где-то «мягче»

За начало нынешнего столетия мы уже привыкли к тому, что автомобильный инжиниринг, связанный по рукам и ногам экологическими требованиями и экономическими выкладками, меняет внутренний облик наших транспортных средств. Узлы и агрегаты, становясь более сложными, теряют в ресурсе. Выигрывая десятые доли литров топлива, они делаются более требовательны ко всему, что касается их использования — эксплуатации, обслуживания, ремонта. Даже подвеска и та трансформируется сообразно сегодняшним финансовым приоритетам. А что мы знаем о кузове, о его несущих, силовых элементах, да о той же раме, присутствие которой все еще актуально на некоторых внедорожниках? На эти составляющие автомобиля влияние оказывают уже тенденции в развитии пассивной безопасности. Хотя и экономическая сторона вопроса здесь немаловажна.

Рамные трансформации

Если подвески первых автомобилей были заимствованы у экипажей на конной тяге, то несущие конструкции брались в «другом месте». Деревянные пространственные рамы карет мало подходили первым транспортным средствам с ДВС — скорости возросли, нагрузки. Автомобильные рамы больше напоминали, как считается, «фундамент» ж/д вагонов — конструкция была плоской, с продольными балками и поперечинами из круглых труб или профиля П-образного либо коробчатого сечения, на который (тогда жестко, потом через подушки) усаживался кузов. Что любопытно, в эпоху развития тяжелой, в том числе литейной промышленности, все еще активно использовался естественный материал — брус из твердых пород древесины, фанерные основания. Впрочем, деревянные бруски в качестве основы для внешних панелей кузова (как некое подобие конструкции конных экипажей, но без «несущей» функции) применялись еще долго, минимум до 40-х годов и даже позже. И именно такое распространение дерева не позволило сразу полностью отказаться от рамы как элемента, воспринимающего основную нагрузку. Хотя несущий кузов был предложен еще в 1915 году.

По старым снимкам или репликам первых в истории автомобилей можно судить о том, что рама тогда часто представляла собой всего лишь трубчатую конструкцию

Лонжеронная (от французского longeron — идти вдоль) рама стала на многие годы основной конструкцией для большинства автомобилей. Менялось лишь сечение продольных и поперечных элементов (траверс), нередко выполнявшееся переменным. Эту раму еще называют лестничной, поскольку от центральной части, расположенной под салоном, лонжероны поднимаются к багажнику и моторному отсеку

К несущему кузову мы еще вернемся. А рама с самого момента появления автомобиля, разумеется, стала объектом инженерных изысканий, задачей которых было сделать ее не особо тяжелой и при этом достаточно жесткой. Не сказать чтобы конструкций было особо много. Тем не менее в каждой из них — поиск. Взять хотя бы хребтовую раму, которую в 20-х годах изобрел Ганс Ледвинка, работавший на Tatra. Очень заманчиво было объединить коробку передач, кардан и задний редуктор большой трубой, игравшей роль несущей конструкции. Даром что впервые подобный «хребет» был использован на легковушке, впоследствии его с успехом применяли на вездеходе Pinzgaurer, и до сих пор он является основой грузовиков Tatra.

Основой Татры моделей 11 и 12, появившихся в 1923 году и прозванных за характерный капот утюгами, была труба, к которой крепились все агрегаты. Задние полуоси также были заключены в трубы. В зависимости от модификаций машины весили 680-760 кг. Оппозитный двигатель развивал 9 или 12 л.с. Tatra выиграла пробег Ленинград — Тбилиси — Москва, принимала участие в других гонках. И все же подобная хребтовая рама стала прерогативой специализированных автомобилей

Разновидностью хребтовой рамы, как у Tatra, стала конструкция, использовавшаяся Mercedes-Benz на модели 170. В ней «хребтом» служили сближенные под полом салона лонжероны из труб овального сечения. Автомобиль выпускался с 1931 по 1953 годы, имел независимую подвеску и моторы объемом от 1,6 до 1,8 л. 170-й, будучи преобразованным в кюбельваген (справа), воевал на восточном фронте и даже передвигался с помощью газогенераторной установки

Несмотря на то что лонжеронная, на основе швеллеров, рама была принята базовой несущей схемой, эксперименты ставились и над ней. Так, в тех же 20-х годах в почти неизвестной сейчас американской фирме Auburn придумали соединять продольные элементы Х-образной стяжкой. Это даже снижало вес конструкции, поскольку такая поперечина, сама по себе обладавшая хорошей жесткостью, позволяла облегчить основные детали. Позже перекрестье швеллеров под днищем салона на многих моделях стало обязательным.

Впервые Х-образный усилитель применили инженеры фирмы Auburn еще в 20-х годах. На «рентгене» модели 852 SC Speedster середины 30-х (слева) видно выделенный красным элемент, соединяющий продольные лонжероны. Справа куда более современная конструкция, в которой также используются перекрещивающиеся швеллеры

Попытки сильнее сэкономить на весе привели к использованию облегченной рамы, которая могла выполнять свои функции только в соавторстве с кузовом, также наделенным элементами, увеличивающими жесткость всей конструкции. При этом рама не представляла с кузовом (пожалуй, его можно назвать полунесущим) единого целого.

Доподлинно известно, что сверхоблегченная рама с полунесущим кузовом применялась на Ford Anglia и Prefect (фото слева и в центре) образца 1938 года, а также на советском КИМ-10 (справа), который фактически являлся лицензионной копией этих моделей, выпускавшихся в Британии. Интересно, что в туманном Альбионе с перерывом на войну автомобильчики выпускали до 1953 года. А в СССР производство КИМ-10 раз и навсегда свернули с началом ВОВ. С натяжкой, но все же можно ту силовую конструкцию назвать далекой предтечей интегрированных рам

Еще одна небезынтересная схема появилась на стыке 40-х и 50-х годов. В опять же забытой многими фирме Hudson впервые решили максимально опустить раму, разнеся ее лонжероны по периметру кузова. Таким образом удалось значительно снизить пол салона, однако порог его получился широким и высоким. Садившимся как бы приходилось перешагивать его и опускать ноги вниз, за что модели полуофициально именовались Stepdowns. Сама же рама, получившая название Monobilt, включала не только нижние силовые части — стойки лобового стекла, ребра жесткости на крыше и т. д. Снизился центр тяжести, отчего модели для своего времени считались отлично управлявшимися. Кроме того, сидящие внутри были хорошо защищены при боковых столкновениях. Негатив же заключался в закрытых полостях рамы, которые щедро напичкали звукоизоляционными материалами и куда попадала вода с грязью. Что еще хуже, с активно применявшимися уже тогда реагентами — гнили Хадсоны быстро и порой непоправимо, поскольку восстановление такого кузова стоило недешево.

Как независимый производитель, Hudson исчез в 1953 году, но автомобили под этой маркой выпускались вплоть до 1957-го. Убила ли фирму сложная конструкция их кузовов? Отчасти да. Из-за нее при рестайлинге требовался большой объем работ, а изменять внешность тогда было принято каждые год-два, что и делали Chrysler, Ford, GM. И все же Stepdowns оставили след в истории. Например, модель Hornet (на фото справа) очень успешно выступала в NASCAR`е. К тому же, вглядитесь повнимательней, это же Док Хадсон из мультфильма «Тачки»!

Разработчикам Hudson надо отдать должное — их американские конкуренты задумались о том, как понизить центр тяжести, уменьшив общую высоту кузова. Во второй половине 50-х появляются так называемые периферийные рамы — симбиоз обычных лонжеронных и Monobilt. С той лишь разницей, что они не охватывали задние колеса и не включали в себя дополнительные силовые конструкции, находившиеся выше «ватерлинии». При этом продольные лонжероны располагались не под полом салона — были так же, как и на Hudson, сдвинуты к порогам кузова. А сам салон находился не над рамой — внутри нее, со всеми вытекающими отсюда плюсами. Только высоту автомобилей удалось снизить на 200-300 мм.

Внешность американских автомобилей менялась только с учетом пристрастий потребителей и благодаря дизайнерским течениям? Вот Lincoln Continental 40-х годов (слева) и 50-х. Конструкция рамы не могла не сказаться и на экстерьере — изменились, если говорить об анфасе и профиле, даже пропорции кузова

Некоторые производители вообще отказались от продольных лонжеронов. Так, с конца 50-х годов в GM перешли на просто Х-образную раму. Такая основа была, например, у Cadillac Eldorado и Fleetwood (на фото). В СССР подобное решение использовалось на «Чайках» ГАЗ-13 и ГАЗ-14. Подобно периферийной раме такое расположение несущих элементов позволяло снизить общую высоту автомобиля, однако плохо сказывалось на пассивной безопасности

Напомним, что мы говорим о заокеанском автопроме, где наличие тяжелого рамного довеска при многолитровых и мощных «восьмерках» никогда не считалось зазорным. Был в нем и вполне практический плюс. Как уже упоминалось, начиная с первой половины прошлого века и заканчивая годами 70-ми хорошим тоном у производителей было обновлять модели не реже раза в пару лет. И процесс этот не стоит путать с нынешним фэйслифтингом — внешние панели нередко менялись так, что автомобиль становился неузнаваемым. Причем в рамках одного и того же поколения. Так вот рама здесь выступала ключевым элементом, позволявшим минимизировать расходы на инженерную поддержку экстерьерного обновления.

Сейчас другие времена. Легковые «американцы» давно перешли на несущие кузова. А рамными остались только пикапы да редкие теперь полноценные внедорожники. Хотя есть еще интегрированная рама — конструкция, где кузов и лонжероны, протянувшиеся от носа до хвоста, связаны без «посредников». К таковым можно, например, отнести продленный передний подрамник, соединенный с задним, который встречается у «Нивы». Или более развитую систему лонжеронов и траверс на Mitsubishi Pajero III. Кстати, именно этот джип стал олицетворением такого рода несущей схемы, хотя нечто подобное применялось еще на Jeep Cherokee 1984 модельного года. Впрочем, разделение на интегрированную раму и несущий кузов, если не брать во внимание внедорожники, все-таки очень условно.

Кто в лес, кто по дрова, но в целом — в одном направлении

Безусловно, на момент появления первых автомобилей тогдашние технологии просто не позволяли создать сложные металлические конструкции — жесткие и легкие. Рама была безальтернативна, а над ней балом правило дерево. При этом инженеры, дабы исключить влияние дорожных неровностей на кузов, обращали свои взоры на очень нестандартные решения. Например, в кузове голландца Шарля Уэйманна деревянные детали каркаса соприкасались друг с другом через металлические подпружиненные вставки, исключавшие скрип. Снаружи такая «ферма» обтягивалась тканью с пропиткой. К Уэйманну обращались из Bugatti, Duesenberg, Packard... И хотя нечто подобное (с использованием стального каркаса и свободно закрепленных внешних панелей) применялось позже, а теперь некоторые компании рассматривают использование такого сочетания на уровне концептов, это все же не несущие кузова. Скорее, это пространственные рамы, которые сейчас больше актуальны в спорте. Древесина тоже употребляется, но в качестве одной из составляющих имиджа марки, например, такой эксклюзивной, как английский Morgan.

Кузов Volvo PV4 образца 1927 года (слева) был создан по патенту Шарля Уэйманна — деревянный каркас обтягивался сначала металлической сеткой, потом хлопчатобумажной тканью и материалом вроде дерматина. Кузов моделей Morgan (в данном случае Aero Coupe) имеет панели из металла. Необычен его каркас, построенный на лонжеронной раме и выполненный из ясеня

Первым автомобилем с несущим кузовом считается Lancia Lambda 1923 года. Правда, ее силовая структура далека от современных представлений. Создавая модель, Винченцо Лянча вдохновлялся шпангоутами судов.

Несмотря на замысловатую «ванну», которую напоминал силовой пояс кузова, это был полноценный несущий элемент. Кардан, кстати, проходил в тоннеле пола, спереди вместо рессор располагались пружины. На выбор предлагались три V-образных «четверки» разного объема мощностью от 49 до 69 л.с.

Более традиционными в нынешнем понимании — со сложными штампованными панелями, собранными воедино сваркой — вышли несущие кузова Citroen Traction Avant и Opel Olympia, появившихся почти одновременно, в 1934 и 35 годах. История не донесла до нас негатива, касающегося конкретно их силовых структур, тем более что прожили машины долго — одна чуть меньше, другая чуть больше 20 лет. И все-таки отношение к несущей схеме у производителей оставалось настороженным — слишком сложно, чересчур дорого.

Citroen Traction Avant (слева) и Opel Olympia объединял кузов — несущий. В остальном это были разные автомобили. «Немка» — типичная малолитражка длиной менее четырех метров, с моторчиком в 1,3, чуть позже в 1,5 л. «Француз» — элегантный седан (или купе, кабриолет) длиной от 4,5 до 5 метров, с моторами в 4, 6 либо 8 цилиндров. И при этом с передним приводом, а под конец выпуска еще и с гидропневматической подвеской

Проще было сделать нечто переходное — на кузов с каким-то усилением навесить спереди и сзади съемные подрамники, либо выполнить задние лонжероны заодно с полом багажника. Именно так развивалось автомобилестроение в до- и послевоенной Европе. Имелись, конечно, и исключения. Например, VW Beetle первого поколения и Renault 4 1961 года.

У VW Beetle (слева) и Renault 4 силовая структура была выполнена по принципу «несущее основание», или «несущий пол». Но с отличиями. В качестве ключевого элемента на Жуке использовалась труба-хребет, подобная татровской (отчего, кстати, фирмы судились до и после войны), к которой приваривалось днище с усилителями. Основа французской малолитражки представляла собой корыто с ребрами жесткости, по периметру окаймленное трубой коробчатого сечения

Разумеется, несущий кузов стал развиваться по иному пути. Исключением тяжелых подрамников, напоминавших части полноценной рамы. И заменой их отдельными лонжеронами, обычно прямоугольного сечения, жестко связанными с другими деталями, призванными воспринимать нагрузки — полом салона, моторным щитом, брызговиками крыльев, рамкой радиатора и т.д. Переход к такой силовой оснастке наметился в Европе в середине прошлого века. С тех пор несущие структуры трансформировались эволюционно — становились легче, жестче. Однако уже в нынешнем столетии произошел качественный скачок.

Подрамник (слева) в современных автомобилях остался, но он не напоминает части прежней рамы. Хотя и выполняет прежние функции — то есть разгружает несущий кузов от лишних нагрузок со стороны подвески, распределяя их на большую площадь. К тому же подрамник удобен для монтажа рулевой рейки и для соединения кузова с силовым агрегатом на заводе. Бывают автомобили и без подрамников (справа)

Нормы пассивной безопасности, с которыми враз стали считаться и потребители, и производители, буквально за поколение-два преобразили клетку кузова. Точнее, они «сделали» эту самую клетку. Если раньше силовой пояс включал передние и задние лонжероны, захватывал пороги и усилители по краям салона, то в какой-то момент он поднялся выше. Стойки крыши, ее поперечины, продольные ребра родили, конечно, не пространственную раму в ее полноценном представлении, но что-то очень похожее.

К прообразам силовых клеток современных автомобилей можно отнести раму Nash Ambassador образца 1941 года. Мощная и, вероятно, прочная конструкция включала передние и задние лонжероны, пороги, стойки крыши, усилители-раскосы, потолочные ребра. Подвела Nash американская специфика — из-за подобной развитой структуры фирма не могла часто обновлять внешность модели, что делали конкуренты

Ремонт возможен

Не будем тут касаться пассивной безопасности, но с технологической точки зрения кузова сейчас не менее сложны, чем другие современные узлы и агрегаты. Изобилуют массой замысловатой формы крупных и мелких деталей, которые иногда (в рамках одной составляющей) имеют разную толщину металла. И изготовлены из различного металла. Вернее, отличающегося по способам его получения и итоговым качествам. Понятия прочная, высокопрочная, сверхвысокопрочная, термоупрочненная сталь или сталь горячей формовки — не пустой звук. Кузова становятся жестче на кручение и легче. Да и по материалам все чаще заметно обращение к алюминию. Уже не редкость, хотя и на машинах далеко не бюджетных, что из него выполняются, например, чашки передних стоек заодно с брызговиками и лонжеронами либо силовые панели кормы. Скажем, в некоторых последних Mercedes при серьезных столкновениях предполагается менять весь передок вплоть до моторного щита. А что делать, когда из алюминия выполнены внешние панели кузова? Ремонтники говорят, что при желании, используя известные технологии, можно восстановить и крылья с капотом. Однако это будет сложно, а потому дорого и долго по времени. Да и применимо далеко не всегда.

Кузова уже не первый десяток лет изготавливаются из различных сортов стали. Так, внешние кузовные панели (серый цвет) выполняются из мягкой стали. Красным отмечены деформируемые элементы, которые могут быть сделаны из алюминия. Желтый — это высокопрочная сталь. Зеленый — сверхвысокопрочная. А двери и капот опять же алюминиевые

Алюминий в качестве основного кузовного материала вряд ли когда-нибудь пойдет в массы. Что же до кузовов из обычной стали, то принимать нынешнюю форму они начали около 15 лет назад. И едва ли этот процесс близок к завершению. А чем он оборачивается для владельцев?

Собственно, хозяевам автомобилей переживать по этому поводу ни к чему. В конце концов кто, покупая машину (если речь не идет о совсем бюджетных моделях), думает о том, сколько будет стоить восстановление после аварии? А жизнь-то и здоровье современные несущие кузова спасают. К тому же выбора по их структуре, по большому счету, нет. Повышение пассивной безопасности — тенденция общая. Разве что не стоит удивляться, когда за кузовной ремонт в этом случае попросят больше (процентов на 30-50), чем за восстановление моделей годов 90-х. Цена обусловлена наличием множества сложных деталей, усилителями, которые прячутся внутри полостей — в порогах, лонжеронах и т. д. — и зонами деформации, которые обеспечивают «правильное» смятие кузова. В серьезном сервисе не обойдут их стороной, как минимум попытаются воссоздать. Это лишние нормочасы и деньги.

Требования пассивной безопасности, сделавшие силовые структуры прочнее, попутно привели к еще одному результату. Наверное, можно говорить о том, что несущие конструкции лучше воспринимают и различные дорожные нагрузки

Другой момент — усиленные элементы каркаса, работая правильно, могут вызвать разрушение других частей автомобиля, не связанных с пассивной безопасностью. Простой пример — боковой удар в Mazda Premacy был «заблокирован» многослойным порогом кузова, который оторвал арку заднего колеса.

Полноценная рама, оставшаяся на редких внедорожниках, также претерпела изменения. Взять хотя бы TLC80 и 100, не говоря уже о «двухсотке». В первом случае речь идет о системе, которую сложно повредить и просто восстановить. На TLC100 и 200 уже есть внутренние усилители и деформационные зоны — трудно для ремонта и дорого.

Вообще мастера без лишнего пафоса отмечают — восстановить можно все что угодно. Само собой, в известных пределах, но тут разницу между автомобилями прежних поколений и нынешними их обладатели вряд ли почувствуют. Правда, это если иметь в виду силовые структуры. При наличии сминаемых областей они все-таки становятся жестче. А вот внешние панели кузова — «деградируют». Их металл становится тоньше, составляющие обвеса превращаются в одноразовые. Многие детали дешевле приобрести новыми, чем отреставрировать. Иной раз этого просто нельзя сделать. Доходит до абсурда — даже при небольших трещинах бамперы сейчас приходится менять. Потому что раньше их пластик был толщиной 3-4 мм, теперь ее сократили до 2-2,5 мм — уже не «заштопаешь». Под замену на ряде моделей идет рамка радиатора («телевизор»), выполненная из металлопластика. И зачастую нужно менять различную крепежную мелочь вроде клипс, которая также служит до первого демонтажа. Это тоже лишние вложения, ранее не требовавшиеся.

За безопасность нужно платить! Облегчение «скорлупы» — только следствие упрочнения «скелета». А переход на одноразовые «запчасти» — влияние современных экономических веяний. Что ж, придется понять и принять.

Дмитрий Дудкин, кузовной мастер, стаж по специальности более 15 лет

— Ремонтируется все. Вопрос только в целесообразности, сложности, возможности клиента платить за это. Современные несущие кузова не исключение. Больше мороки, но не без получения качественного результата. Конечно, замысловатость нынешних силовых структур в работе напрягает, но безопасность... Куда от нее деться?

Другое дело, что усложняя силовую клетку, на всем остальном производители зачастую экономят. Внешние панели — целлофан. Был в ремонте Hyundai Solaris, так его кузовщину местами гнул руками, настолько тонкая. В той или иной степени подобное встречал на всех современных автомобилях, попадавших в работу. Еще один пункт экономии — шумоизоляция. Вскрываешь дверь, а там вместо полноценного мата кусочки прилеплены. Встречается подобное и в других скрытых полостях. Еще больше удивляют заводские «непрокрасы». На «японцах»-«корейцах» это частое явление. Светлый цвет, естественное освещение — и пятна, через которые проглядывает грунтовка. А там, где не проглядывает, слой лакокрасочного покрытия все равно тонкий. Царапается легко, стирается. Полировкой можно снять. Я уже не говорю о том, что, к примеру, у тех же «корейцев» зацветает или облезает «хром» внешней отделки. Мелочи, а отталкивает.

Есть приятные исключения. Всегда предвзято относился к «французам», а недавно познакомился с Peugeot 408 после бокового удара. Как снизу основательно сделан — порог заполнен специальным наполнителем, все качественно покрыто антигравием. Такое теперь чуть ли не редкость. Или вот Range Rover, после «вскрытия» понимаешь — на нем не экономили. Хотя это машина несколько иного уровня. Однако опять же сейчас и у «европейцев», в частности, у Mercedes и BMW чувствуется ограниченность бюджета на «шумку». Благо в своем большинстве «немцы» красятся лучше.

Тут поневоле вспомнишь, как тяжело из-за термоупрочненной стали, в отличие от других «японок» или «европеек», «вытягивались» Хонды 90-х годов. Или какими основательными были более «пожилые» автомобили. Ко мне попадал Cadillac Fleetwood 1964 года. Почти без ржавчины, проваренный в некоторых местах медью, с толстой-толстой кузовщиной...

Cadillac Fleetwood, уже бывший героем нашего материала. Даже с точки зрения технологического исполнения кузова — исключительный автомобиль. Дитя эпохи!

P.S.

Достижения в пассивной безопасности, где огромную роль играет строение кузова, хорошо демонстрирует нижеследующий видеоролик. Сотрудники института IIHS, который проводит краш-тесты автомобилей, провели столкновение Chevrolet Bel Air 1959 года и Chevrolet Malibu 2009 года. Что сказать, 50 лет развития отрасли не прошли даром.