Установка каркаса для автомобиля

Каркас безопасности для спортивного автомобиля

К нам часто обращаются с вопросами «как построить каркас безопасности?» и «из чего изготовить каркас безопасности?». К сожалению, в одной статье полностью этот вопрос раскрыть невозможно, т.к. существует большое количество практических нюансов, описания которых хватит на довольно толстую книгу. Поэтому мы остановимся лишь на основных моментах, которые позволят Вам с самого начала двигаться в правильном направлении и не совершить фатальных ошибок на старте. Зная основные принципы постройки каркасов безопасности, Вам останется лишь аккуратно воплотить задуманную конструкцию в жизнь.

Зачем нужен каркас безопасности?

Основное назначение этой конструкции – предотвращать серьезные деформации кузова автомобиля при перевороте или столкновении и тем самым сохранять Вам жизнь и здоровье. Каркас безопасности – это пространственная конструкция, жестко связанная с силовыми элементами кузова, и ее задача – сохранять жизненное пространство внутри даже при самой жесткой аварии, чтобы деформирующиеся детали кузова не нанесли вам увечий.

Существует две разновидности таких конструкций – сборно-разборная (или болтовой каркас) и цельносварная. Болтовой каркас безопасности можно установить, не внося серьезных изменений в салон автомобиля. Наиболее продуманные конструкции позволяют даже сохранить неприкосновенным салонный пластик.

Что бы ни рассказывали Вам маркетологи и продавцы подобных конструкций, болтовой каркас из-за обилия разъемных соединений не обладает достаточной жесткостью, чтобы полноценно защитить пассажиров автомобиля. Поэтому такая конструкция не может использоваться в автомобилях, предназначенных для спортивных соревнований. Она может служить скорее элементом дизайна авто, пусть и несколько увеличивающим жесткость кузова.

Для практического применения представляют интерес исключительно сварные каркасы безопасности. Их установка требует полной разборки салона и вмешательства в конструкцию кузова автомобиля. К сварным каркасам предъявляются жесткие требования, отклонение от которых приведет к тому, что автомобиль не будет допущен к выходу на трассу.

Из чего изготавливаются каркасы безопасности?

Требования и описание конструкции каркасов безопасности спортивных автомобилей приведены в ст.253 часть 8 Приложения «J» к Международному Спортивному Кодексу ФИА (МСК ФИА). Правила использования каркасов безопасности и основные конструкции каркасов описаны в Приложении №14 к КиТТ РАФ. Рекомендуем начать изучение конструкций с Приложения №14, а за подробными разъяснениями обращаться к Приложению «J».

Элементы каркасов безопасности условно можно разделить на основные и вспомогательные. Основные элементы (на схеме ниже выделены серым цветом) создают «фундамент» защитной клетки, который дополнительно усиливается вспомогательными элементами. Вспомогательные элементы (на схеме – белые) изготавливаются из более тонкой трубы, что позволяет снизить общую массу конструкции без ущерба для защитных свойств.

Все элементы выполняются из круглой стальной холоднокатаной бесшовной трубы. Материал трубы Ст20. Основные элементы каркаса безопасности выполняются из трубы 50 х 2мм ИЛИ 45 х 2.5мм. Вспомогательные элементы из трубы 40 х 2мм ИЛИ 38 х 2.5мм.

Диаметр применяемых труб и масса каркаса безопасности

Средняя масса готового каркаса безопасности составляет 40-50 кг. По понятным причинам эту массу хотелось бы уменьшить. Применяемая для основных деталей труба 50 х 2мм легче, чем 45 х 2.5 на 10%. Применяемая для вспомогательных деталей труба 40 х 2мм легче трубы 38 х 2.5 на 15%. При этом масса основных деталей каркаса в среднем составляет не более 40% от общей массы готовой конструкции, а на вспомогательные детали приходится оставшиеся 60%.

Логика подсказывает, что если использовать более легкие трубы, то это положительно скажется на массе конструкции. Возьмем за точку отсчета массу каркаса безопасности 50кг и будем считать, что он выполнен из более тяжелых труб (45 х 2.5мм и 38 х 2.5мм). Переход на более легкие трубы позволит сэкономить примерно 2 кг на основных деталях (50кг * 0.4 * 0.1 = 2 кг) и приблизительно 4.5 кг на вспомогательных деталях (50кг * 0.6 * 0.15 = 4.5 кг).

Таким образом общая экономия массы по оптимистическим оценкам составит примерно 6.5кг (2 кг + 4.5кг = 6.5кг), что является довольно скромным результатом в масштабах автомобиля.

В реальной ситуации выигрыш будет еще меньше. В большинстве случаев масса каркаса безопасности все же ниже 50кг, и кроме деталей из труб в конструкции присутствуют всевозможные накладки, косынки и усиления, чья масса останется неизменной. Это позволяет нам утверждать, что размер применяемых при постройке каркаса безопасности трубы не оказывает значительного влияния на его массу. Поэтому не имеет большого значения, какие именно из труб, указанных в Приложении «J», использовать.

Используйте те трубы, которые проще купить в Вашем регионе, и которые Вы можете согнуть с помощью доступного Вам инструмента. Гораздо важнее сама конструкция каркаса, т.к. количество использованного материала и число элементов конструкции влияет на массу сильнее.

Конструктивные требования

Каждая деталь каркаса безопасности должна быть выполнена из единого куска трубы без сочленений. Поверхность трубы должна быть ровной гладкой, без складок и трещин. Это значит, что «морщины» и «гофра» на внутренней стороне изгибов труб недопустимы.

Все сварные швы должны иметь самое высокое возможное качество с полным проваром. Предпочтительно применять электродуговую сварка в среде защитного газа. Сварной шов должен полностью опоясывать периметр трубы. Хотя хороший внешний вид сварного шва не обязательно гарантирует его качество, плохо выглядящие сварные швы никогда не являются признаком качественного изготовления – такой каркас безопасности будет забракован.

Трубы должны быть согнуты «на холодную», т.е. без применения нагрева. Радиус гиба по осевой линии должен составлять не менее трех диаметров трубы. Обратите внимание не «равен трем диаметрам трубы», а «не менее трех диаметров» – т.е. «три или более трех».

При гибке трубы ее сечение часто принимает овальную форму. Приложение «J» к МСК ФАИ допускает овальность, при которой отношение минимального к максимальному диаметру составляет 0.9 или более. Проще говоря, нужно измерить трубу в месте перегиба в самом узком и самом широком месте и поделить первое значение на второе. Если получится число меньше 0.9, такой гиб будет забракован.

Гибка элементов каркаса

При изготовлении каркасов безопасности наибольшую сложность представляет гибка труб. Широко распространенные арбалетные трубогибы не подходят для данной задачи, т.к. они портят трубы и попросту не удобны в работе с крупными деталями. Самой большой проблемой таких трубогибов является овальность труб после гибки, которая выходит за рамки требований Приложения «J» (см. «правило 0.9» в части, описывающей конструктивные требования). Причины, по которым это происходит, подробно описаны в статье «Почему арбалетный трубогиб ломает трубы?».

Избежать вредных деформаций и добиться хорошего результата можно, если использовать технологию гибки труб методом намотки на оснастку. Подобная технология применяется в нашем ручном трубогибе BigBender Mk3 и гидравлическом трубогибе Mk2. Данные трубогибы работают с трубами диаметром до 45мм включительно, что делает их незаменимыми при постройке каркасов безопасности спортивных автомобилей, рам багги, элементов подвески и силового обвеса внедорожников.

Как было замечено ранее, размер применяемых труб из числа разрешенных в Приложении «J» не оказывает значительного влияния на массу готового каркаса безопасности, поэтому верхний предел производительности трубогибов BigBender в 45мм не является проблемой. Данные станки аккуратно и точно гнут трубу 45 х 2.5, обеспечивая итоговую овальность в регламентированных Приложением «J» пределах. Аналогично дело обстоит и с трубами 40 х 2мм и 38 х 2.5мм.

Сварка элементов каркаса

При сварке элементов каркаса безопасности предпочтительнее использовать сварку в среде защитных газов – MIG или TIG («полуавтомат» или «аргон»). Приложение «J» не запрещает использовать сварку MMA (электродами), однако из-за специфики конструкции каркаса с помощью этой технологии довольно сложно получить качественные швы, если квалификация сварщика недостаточно высока. Поэтому высок риск что готовый каркас, сваренный таким образом, не получит одобрения.

При подготовке деталей каркаса безопасности к сварке особое внимание следует уделять подгонке элементов. Важно обеспечить равномерное прилегание деталей друг к другу во всему периметру соединения и минимальные зазоры. Это избавит Вас от возникновения излишних напряжений в конструкции, обеспечит высокое качество швов и должную прочность каркасу.

Для подготовки торцов труб к сварке рекомендуем использовать торцеватель – устройство для резки в трубах седловин с помощью биметаллических коронок. Эти приспособления позволяют «запиливать» концы труб под нужным Вам углом, а получающийся в результате вырез имеет форму, идеально совпадающую с привариваемой трубой.

Данное устройство в качестве режущего инструмента использует стандартные биметаллические коронки и приводится в действие электродрелью, в патрон которой зажимается приводной вал торцевателя. Торцеватель может быть зажат в тиски или установлен на собственной стойке. Используя данный инструмент, Вы многократно сокращаете время на подгонку элементов каркаса друг к другу и обеспечиваете очень точное прилегание деталей, благодаря чему сварной шов получается более аккуратным и прочным.

Заключение

Постройка каркаса безопасности – не ядерная физика, но в то же время дело ответственное, т.к. от его конструкции зависит жизнь и здоровье экипажа спортивного автомобиля. Правильный подбор материалов и инструмента поможет Вам сэкономить большое количество сил и времени при постройке и послужит гарантией того, что готовый каркас успешно пройдет техкомиссию, а автомобиль, на котором он установлен, будет допущен к соревнованиям.

Источник статьи: http://www.bigbender.ru/karkas-bezopasnosti-dlya-sportivnogo-avtomobilya/

Каркасы безопасности и жесткость кузова

Каждый спортсмен, занимающийся автоспортом (в свое удовольствие или профессионально), обязан повысить безопасность автомобиля. Ни одна салонная машина не рассчитана на нагрузки, с которыми кузов сталкивается на гонках. Чтобы на высоких скоростях, при столкновении водитель не получил серьезные травмы, в салон устанавливают каркас безопасности (safety cage).

Из материала вы узнаете об особенностях этой конструкции, разновидностях и их отличиях. Ознакомитесь с технической документацией, и прочей полезной информацией по теме.

Что такое каркас безопасности

Каркас безопасности представляет собой конструкцию, состоящую из стальных труб. Монтируется внутри транспортного средства, после чего прикручивается или приваривается к кузову в ключевых точках. Основная задача каркаса – придание дополнительной жесткости.

Пространственный каркас безопасности предотвращает серьезную деформацию кузова при перевороте или столкновении транспортного средства с другими объектами. Необходимость монтажа конструкции продиктована международным регламентом спортивной ассоциации FIA, а также рядом других контролирующих органов.

Жесткость кузова

Жесткость кузова современных автомобилей являет собой важный параметр, от которого зависит его безопасность. Чем меньше жесткость кузова, тем быстрее в нагруженных местах начнут появляться трещины, усталость металла.

С другой стороны, при попадании в дорожно-транспортное происшествие, кузов с небольшим запасом жесткости деформируется сильнее. Это увеличивает вероятность смертельного исхода при одинаковой скорости по сравнению с машиной, у которой этот показатель на порядок выше.

Кроме того, этот параметр характеризует общую прочность транспортного средства, степень пассивной безопасности и долговечности. Кузов является несущей конструкцией всего автомобиля, навесных элементов, пассажиров и перевозимых грузов.

Если жесткость на кручение недостаточная, при проезде по неровностям машина начинает «играть». Это приведет к неправильной работе подвески, непрогнозируемому ее поведению на высокой скорости. Кручение нужно снизить настолько, насколько это вообще возможно.

Главный параметр, опираясь на который, специалисты проводят тестирование – жесткость кузова на кручение вдоль продольной оси. Задача определить, какое усилие нужно приложить к кузову, чтобы вызвать деформацию на 1 градус. Измеряется жесткость в Нм/градус.

Наиболее жесткими считаются автомобили с однообъемной компоновкой кузова, когда силуэт напоминает форму куба, например минивэны. Куда меньшее сопротивление имеют двух и трехобъемные кузова. Большое количество дверей также снижает показатель. Самая низкая жесткость у автомобилей с открытым верхом.

Таблица значений жесткости кузова

Модель	Жесткость (Нм/гр)
Koenigsegg Agera R	65000
Koenigsegg Agera	58000
ВАЗ-21106 (гоночный) Желтая акула	51800
Bugatti Veyron	50000
Audi A8 D4	45000
Porsche Cayman 981	42000
Mercedes S-Class W222	40500
Rolls-Royce Phantom	40500
Audi R8	40000
Lexus LFA	39130
BMW 7 series F01	37500
BMW F10	37500
VW Phaeton	37000
Bentley Flying Spur mk2	36500
Audi A8 D3	36000
Lamborghini Aventador	35000
Ferrari F50	34600
Porsche 911 Turbo 997	34000
Range Rover mk3	32500
VW Passat B6	32400
BMW Z4 Coupe mk1	32000
Alfa Romeo 159	31400
BMW 7 series E65	31200
Porsche 911 Carrera S 991	30400
Mazda Rx-8	30000
Mercedes E-Class W212	29920
Aston Martin Vanquish	28500
Koenigsegg CC-8	28100
BMW X5 E70	28000
Land Rover Freelander 2	28000
Mercedes S-Class W221	27500
Lancia Kappa Coupe	27350
Ford GT	27100
Aston Martin DB9 Coupe	27000
Mazda CX-5	27000
Pagani Zonda F	27000
Porsche 911 Turbo 996	27000
Pagani Zonda C12 S	26300
Porsche Carrera GT	26000
Audi A8 D2	25000
BMW F30	25000
Porsche Panamera	25000
VW Golf V GTI	25000
Mini 2003	24500
Alfa Romeo 166	24400
Bentley Continental Supersports	24000
BMW E39	24000
BMW E60	24000
Seat Leon 2005	23800
Mazda CX-7	23700
BMW X5 E53	23100
Lamborghini Gallardo	23000
Peugeot 407	22700
Toyota Prius 2001	22700
BMW E90	22500
Audi TT Roadster mk2	22000
Jaguar X-Type Sedan	22000
Saab 43533 Sedan mk2	22000
Ford Mustang 2005	21000
Saab 43533 Sportcombi mk2	21000
Chrysler Crossfire	20140
Lamborghini Murcielago	20000
Volvo S60 mk1	20000
Fiat Punto 3d	19700
Ford Focus 3d mk1	19600
Mercedes SL R231	19400
Audi TT Coupe mk1	19000
Bugatti EB110	19000
ВАЗ-2180 Лада Веста	19000
Alfa Romeo 147 3d	18800
Alfa Romeo 156	18800
Volvo S80 mk1	18600
Opel Combo 1999	18500
Bentley Azure	18000
Maserati Quattroporte 2008	18000
Mercedes SLS Roadster	18000
Pagani Zonda Roadster	18000
Ford Focus 5d mk1	17900
Volkswagen Fox 2007	17900
Alfa Romeo MiTo	17650
BMW E34	17200
Citroen Picasso mk1	17000
Ford GT40 MkI	17000
Mercedes SL R230	16400
Jaguar X-Type Estate	16300
Alfa Romeo 147 5d	16250
Ford Mustang 2003	16000
Jaguar XK mk2	16000
Aston Martin DB9 Convertible	15500
Mazda Rx-7 FD	15000
Ferrari 575M Maranello	14700
BMW Z4 Roadster mk1	14500
Daewoo Nubira 1997	14500
ВАЗ-21109 Консул	14300
Renault Twingo 1995	14200
BMW E46 Wagon	14000
McLaren F1	13500
Porsche 911 Turbo 993	13500
BMW E46 Sedan	13000
Opel Omega 1999	13000
ВАЗ-2191 Лада Гранта седан	13000
Porsche 959	12900
BMW E46 Coupe	12500
ВАЗ-21106	12200
ВАЗ-2123 Шеви-Нива	12000
ВАЗ-2170 Лада Приора	12000
Audi A2	11900
Opel Astra 4d 1998	11900
Opel Astra 5d 1998	11700
ВАЗ-2191 Лада Гранта лифтбек	11700
Porsche 911 Turbo 996 Convertible	11600
Saab 43533 Cabriolet mk2	11500
ВАЗ-1119 Лада Калина хэтчбек	11000
BMW E36 Touring	10900
Fiat Bravo	10600
BMW E46 Convertible	10500
BMW Z8	10500
Daewoo Lanos 3d 1997	10500
Lotus Elise S2/ Exige 2004	10500
Opel Astra 3d 1998	10500
Toyota Corolla 3d 1995	10500
ВАЗ-21108 Премьер	10500
Audi TT Roadster mk1	10000
Renault Sport Spider	10000
ВАЗ-2120 Лада Надежда	10000
ВАЗ-1117 Лада Калина универсал	10000
Ford Mustang Convertible 2005	9500
Chevrolet Corvette C5	9100
Fiat Brava	9100
ВАЗ-21213 Нива	8900
Opel Vectra 4d 1999	8800
Ferrari 360 Spider	8500
ВАЗ-21102	8400
Nissan Sunny 3d 1995	8200
ВАЗ-21083	8200
ВАЗ-2112	8100
Opel Corsa 3d 1999	8000
Peugeot 206 CC	8000
ВАЗ-2110	8000
Lotus Elan	7900
Dodge Viper Coupe mk2	7600
Toyota Starlet 5d 1995	7600
Nissan Prairie 4×4 5d 1995	7500
ВАЗ-2111	7400
ВАЗ-2131 Нива	7400
ВАЗ-2105	7300
ВАЗ-2107	7200
ВАЗ-1111Э Ока	7000
Dodge Durango mk1	6800
ВАЗ-21093	6800
Fiat Tempra	6700
Ford Fiesta 3d 1995	6500
Opel Corsa 3d 1995	6500
ВАЗ-2106	6500
ВАЗ-21043	6300
Lotus Esprit SE Turbo	5850
BMW Z3 mk1	5600
ВАЗ-21099	5500
ВАЗ-2115	5500
Ford Mustang Convertible 2003	4800
ГАЗ-М20 Победа	4600
Ford Maverick 5d 1995	4400
Nissan Micra 1995	4000
МЗМА-400 Москвич	2500

В быту автовладелец также может столкнуться с проблемой жесткости. Например, при поддомкрачивании автомобиля, или заезде одним колесом на препятствие. Из-за кручения навесные элементы кузова (двери, капот) начинают плохо открываться. Причина как раз в недостаточной жесткости кузова.

Способы увеличения жесткости

Увеличение показателей жесткости кузова достигается не только путем приваривания или прикручивания каркаса, существуют и менее радикальные способы.

Навесные усилители жесткости

При выпуске нового автомобиля, рассчитывается в том числе и жесткость его кузова. Производитель закладывает необходимый запас жесткости, но если транспортное средство не предназначено для автогонок, то ожидать от него чудес не стоит.

Самый простой и доступный способ – установка усилителей жесткости, в народе распорок или «УЖей». Делятся на три типа:

• Верхний УЖ. Является связующим звеном между стаканами, делая их положение фиксированным. Распорка распределяет нагрузку между стойками, создавая единый механизм.
• Нижний УЖ. В процессе прохождения неровных участков дороги не позволяет лонжеронам расползаться. Вместе нижняя и верхняя распорки значительно повышают жесткость, создавая раму.
• Задний УЖ. Увеличивает жесткость задних стаканов, распределяя между ними нагрузку.

Кроме этого существует масса дополнительных усилителей для конкретных марок и моделей автомобилей: подрамные, распорки вдоль порогов, на крылья (косынки), каркас под бампер — башбар (bash bar).

Установка распорок не относится к способу подготовки автомобиля к участию в автогонках, разве что на любительском уровне.

Усиление кузова

Это уже более продвинутый способ увеличения жесткости, весьма трудоемкий и затратный в финансовом плане.

При интегрированном усилении, места точечной сварки обвариваются дополнительно. Точки крепления агрегатов и особо нагруженные места кузова, усиливаются дополнительными слоями металла. Особое внимание уделяется зонам деформации, предусмотренным производителем. На эти места ввариваются косынки и перемычки.

Однако, для подготовки к участию в профессиональных спортивных дисциплинах, потребуется установка каркаса.

Виды каркасов

С конструктивной точки зрения, каркас безопасности бывает двух видов – болтовой и вварной. Рассмотрим каждую разновидность поподробнее.

Болтовой каркас безопасности

Также называется сборно-разборным. Крепится к боковым стойкам, порогам и полу при помощи болтов. В любой момент конструкцию можно полностью разобрать. Как правило, болтовый каркас пользуется популярностью среди начинающих автогонщиков, а также владельцев, использующих транспортное средство в комбинированном режиме – для повседневной езды и участия в соревнованиях.

Устанавливая такой каркас нужно выбирать качественный крепеж. Если болты будут плохими, при аварии конструкция может отстегнуться и повредить водителя.

Вварной каркас безопасности

Чтобы при помощи каркаса безопасности получить жесткость кузова, регламентированную правилами автомобильных ассоциаций, нужно внимательно изучить ряд приложений.

Приложение J

Являет собой официальный документ, выпущенный международной автомобильной федерацией FIA (Fédération Internationale de l’Automobile). https://www.fia.com/

Правила повышения безопасности кузова каркасным методом прописаны в статье 253. Там указаны технические параметры каждого элемента конструкции, используемого в «клетке». Читать перевод статьи в формате PDF.

Источник http://www.raf.su/kst/category/74-prilozheniya-j (там же переводы других статей данного приложения).

Приложение 14

Разработано Российской автомобильной федерацией. Являет собой регламент, устанавливающий использования автомобильных каркасов безопасности. Актуален для тех, кто планирует соревноваться в отечественных чемпионатах. Ознакомиться с приложением.

Каркас безопасности своими руками

Как показывает практика, самой удобной платформой для постройки спорткара является отечественный кузов ВАЗ. Разработать и воплотить в реальность конструкцию каркаса можно и самостоятельно.

При изготовлении «клетки», в соответствии с требованиями стандарта ГОСТ 8734-58, используется стальная труба двух сортаментов – 45х2,5 и 40х2,0 см. Сталь должна быть нелегированной, с содержанием углерода не более 0,3%. Это нужно для того, чтобы каркас был достаточно гибким и не лопался при деформации.

Также придется обзавестись трубогибом, чтобы придавать рабочему материалу оптимальную форму под нужным углом, поскольку нагрев категорически запрещен. При изгибе труба все равно будет плющиться, и разница между меньшим и большим диаметром не должна превышать 10%.

Чтобы точно отрезать и подогнать трубу, можно воспользоваться сервисом http://metalgeek.com/static/cope_big.pcgi После того как программа сделает развертку, нужно распечатать ее на принтере и перенеси на трубу.

Каркас лучше всего делать как можно ближе к кузову. Это позволит сохранить больше пространства для водителя и максимально повысить жесткость.

Варить лучше на аргоном или полуавтоматом. Основные точки сварки – стойки крыши, пороги. Используются как продольные элементы с левой и правой стороны кузова, так и косынки с накладками для повышения жесткости центральных стоек при боковом столкновении.

Косынки в омологированной конструкции обязательно должны иметь отверстия для инспекции сварного шва.

Обратите внимание на схему создания системы безопасности автомобиля ВАЗ, начиная с «копейки» и заканчивая «семеркой».

Если вы планируете принимать участие в соревнованиях на профессиональном уровне, забудьте о самостоятельном изготовлении. Придется покупать омологированный каркас. Это конструкция, прошедшая официальные испытания, качество которой гарантирует производитель. Она обязательно должна быть сварной и отвечать всем требованиям, предъявляемым официальными организациями.

Источник статьи: http://znanieavto.ru/korpus/karkas-bezopasnosti.html