Каркас кузова автомобиля
CAR BODY FRAME

Каркас кузова автомобиля
Изобретение относится к автомобилестроению, а именно, к автомобилям с несущей сварной пространственной рамой и навесными панелями из стеклопластика, пластика и алюминия.
Известен несущий пространственный каркас кузова автомобиля, который состоит из силовых элементов, изготовленных из металлических профилей различного сечения. Силовые элементы образуют нижнюю и боковые структуры. Нижняя структура состоит из двух продольных лонжеронов, расположенных по всей длине каркаса кузова и выполненных из неразъемно соединенных между собой гнутых деталей. Лонжероны соединены между собой поперечными элементами. Боковые структуры состоят из дверных проемов, выполненных из верхней Л-образной и нижней частей и порогов кузова, неразъемно соединенных между собой. Нижняя часть дверного проема и порог кузова имеют U-образную форму и выполнены в виде единой гнутой детали. Лонжероны соединены с порогами кузова соединительными элементами. Боковые структуры соединены между собой поперечными элементами, причем задние наклонные элементы Л-образных верхних частей дверных проемов и задние вертикальные элементы U-образных нижних частей дверных проемов соединены с задними продольными элементами, расположенными на уровне борта багажного отделения. Передние продольные элементы соединены между собой поперечными элементами, задние продольные элементы соединены между собой поперечными элементами (RU 168741 U1, 17.02.2017).
Данный каркас не предназначен для спортивных гоночных автомобилей, поскольку не обеспечивает необходимую безопасность водителя.
://
-
.
/
-7-
/
Наиболее близкой к предложенному каркасу является пространственная рама широко известного спортивного автомобиля Lotus Seven, выполненная из силовых элементов, изготовленных из металлических профилей и образующих переднюю часть рамы, включающую соединенные силовыми элементами нижнюю и верхнюю структуры, каждая из которых включает продольные и поперечные силовые элементы, образующие моторный отсек рамы, заднюю часть рамы, включающую заднюю стенку и соединенную с ней нижнюю структуру, и боковые структуры, соединяющие переднюю и заднюю части рамы, а также образующих карданный туннель, расположенный между боковыми структурами и соединенный силовыми элементами с передней и задней частями рамы,  при этом центральные плоскости моторного отсека рамы и карданного тоннеля лежат в центральной вертикальной плоскости рамы («Лотус 7 чертежи» страница в Интернете httpnwpsrulotuschertezhi, распечатано 03.10.2017).
Недостатком данной рамы является то, что расположение моторного отсека и карданного тоннеля ограничивают размеры места для водителя, что создает дискомфорт в случае управления автомобилем небольших габаритов крупным водителем. Крупному водителю неудобно пользоваться педалями, поскольку в данном автомобиле мало места для работы ног. Кроме того, крупный водитель сильно меняет развесовку автомобиля, что ухудшает управляемость автомобилем. Кроме того, в данной конструкции отсутствует каркас безопасности, который при необходимости присоединяют к раме с помощью винтов, что не обеспечивает достаточной жесткости рамы на кручение и безопасности автомобиля на треке.
Техническая проблема, решаемая изобретением, заключается в обеспечении достаточного места для крупных водителей и улучшении развесовки автомобиля по продольной оси.
Технический результат, достигаемый изобретением и позволяющим решить указанную проблему, заключается в увеличении пространства для размещения водителя при сохранении общих габаритов каркаса.
Технический результат достигается каркасом кузова автомобиля, содержащим пространственную раму, выполненную из силовых элементов, изготовленных из металлических профилей и образующих переднюю часть рамы, включающую соединенные силовыми элементами нижнюю и верхнюю структуры, каждая из которых включает продольные и поперечные силовые элементы, образующие моторный отсек рамы, заднюю часть рамы, включающую заднюю стенку и соединенную с ней нижнюю структуру, и боковые структуры, соединяющие переднюю и заднюю части рамы, а также образующих карданный туннель, расположенный между боковыми структурами и соединенный силовыми элементами с передней и задней частями рамы,  при этом центральные плоскости моторного отсека рамы и карданного тоннеля смещены относительно центральной вертикальной плоскости рамы.
Кроме того, задняя часть рамы дополнительно включает первый трубчатый элемент в виде дуги, соединенной своими концами с верхней частью задней стенки, второй и третий трубчатые элементы, соединяющие дугу в средней ее части с нижней структурой задней части, и четвертый и пятый трубчатые элементы, соединяющие верхнюю часть задней стенки с нижней структурой задней части.
Кроме того, каркас кузова автомобиля снабжен каркасом безопасности, выполненным из силовых элементов, изготовленных из труб, соединенным с пространственной рамой при помощи сварки и включающим переднюю дугу, соединенную концами с передней частью рамы, заднюю дугу, соединенную концами с задней частью рамы, продольные элементы, соединяющие верхние части передней и задней дуг, и боковые диагональные элементы, соединенные с передней и задней дугами с одной боковой стороны каркаса безопасности.
При этом концы передней дуги каркаса безопасности соединены с опорным элементом и с нижней структурой передней части рамы, концы задней дуги каркаса безопасности соединены с поперечиной и верхней частью задней стенки, верхняя часть которой соединена посредством двух опорных элементов и с нижней структурой задней части рамы,  и с которой соединен своими концами диагональный элемент, верхние части передней и задней дуг дополнительно соединены диагональным элементом, расположенным между продольными элементами, один боковой диагональный элемент соединяет концы передней и задней дуг, а два дополнительных боковых элемента соединяют соответственно боковую ветвь передней дуги с боковым диагональным элементом и боковой диагональный элемент с нижним силовым элементом боковой структуры.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 - показан предложенный каркас кузова автомобиля, общий вид.
На фиг. 2 – то же, вид сверху.
На фиг. 3 – боковая структура рамы.
На фиг. 4 – верхняя структура передней части рамы.
На фиг. 5 – задняя стенка рамы.
На фиг. 6 – элементы нижней структуры задней части рамы.
На фиг. 7 – верхняя часть карданного туннеля.
На фиг. 8 – нижняя структура задней части рамы.
На фиг. 9 – трубчатые элементы задней части рамы.
На фиг. 10 – основные элементы каркаса безопасности.
Каркас кузова автомобиля состоит из несущей пространственной рамы и вварного каркаса безопасности. Несущая пространственная рама состоит из силовых элементов, изготовленных из металлических профилей различного сечения и образующих переднюю и заднюю части рамы. Передняя часть рамы включает нижнюю структуру 1 и верхнюю структуру 2.
Верхняя структура 2 рамы (фиг. 4) состоит из пятнадцати металлических профилей разного сечения и собирается на отдельном кондукторе. Два продольных силовых элемента 3, 4 из квадратной трубы 25х25 мм с толщиной стенки 1,5 мм образуют боковины верхней структуры 2 рамы и имеют пазы для точного соединения с поддерживающими элементами среднего уровня рамы. Также данные элементы 3, 4 имеют отверстия для размещения закладных резьбовых заклёпок. С их помощью осуществляется крепление боковых алюминиевых панелей и позиционирование стеклопластикового капота автомобиля. Поперечный силовой элемент 5 также из квадратной трубы 25х25 мм с толщиной стенки 1,5 мм образует верхнюю часть пространства для ног водителя. На нём так же имеются пазы для крепления опоры рулевого вала. Силовые элементы 6-10 выполнены из квадратной трубы 20х20 мм с толщиной стенки 1,5 мм и образуют верхней уровень рамы, находящийся под приборной панелью, и надёжно связывают боковины рамы с задней частью моторного отсека. Элемент 6 имеет вырезы для ручной гибки и шипы для точного соединения с пазами соседних элементов. Поперечный силовой элемент 11 выполнен из круглой трубы диаметром 25 с толщиной стенки 1,5 мм и имеет отверстия для резьбовых заклёпок, на которые крепится внутренний кожух радиатора. Силовые элементы 12-16 выполнены из круглой трубы диаметром 20 мм с толщиной стенки 1,5 мм и являются усилителями верхней части моторного отсека.
Пространственная рама включает также две симметричные боковые структуры 17, соединяющих переднюю и заднюю части рамы (фиг. 3). Каждая боковая структура 17 состоит из семи различных металлических профилей разного сечения. Нижний силовой элемент 18 из квадратной трубы 25х25 мм с толщиной стенки 1,5 мм образует боковую часть пола рамы и имеет пазы для точного соединения с задней стенкой 25 рамы и нижней структурой 1 рамы. Вертикальные стойки 19 и 20 поддерживают верхний силовой элемент 21, являющийся основанием внешних подголовников рамы. Силовой элемент 22 помимо пазов для соединения с структурами задней части рамы имеет V-образные вырезы, которые позволяют осуществлять быструю, точную гибку профиля без использования дополнительного оборудования. Силовой элемент 23 выполнен по такой же технологии из круглой трубы диаметром 25 мм и толщиной стенки 1,5 мм. После ручной гибки и сварки сегментов силовой элемент 23 служит в качестве верхней дуги заднего крыла автомобиля. Силовой элемент 24 выполнен из круглой трубы диаметром 20 мм и толщиной стенки 1,5 мм и служит для триангуляции боковых структур 17.
Задняя часть рамы включает заднюю стенку 25 и соединенную с ней нижнюю структуру 26 задней части. Задняя стенка 25 рамы (фиг. 5) является очень важной сборочной единицей, с которой и начинается процесс сборки рамы в кондукторе. Горизонтальные силовые элементы 27 и 28 выполнены из квадратной трубы 25х25 мм с толщиной стенки 1,5 мм и имею шипы, с помощью которых происходит позиционирование и объединение с боковыми структурами 17. Вертикальные силовые элементы 29 и 30 выполнены из квадратной трубы 25х25 мм с толщиной стенки 1,5 мм и соединяют концы горизонтальных силовых элементов 27 и 28. Силовые элементы 31-34 выполнены из квадратной трубы 25х25 мм с толщиной стенки 1,5 мм и образуют Х-образную структуру над карданным туннелем, которая обеспечивают большую часть жесткости всей конструкции. Горизонтальные силовые элементы 35, 36 являются образующими задней части карданного туннеля. Вертикальные силовые элементы 37, 38, 39 служат для дополнительного усиления, а элементы 38 и 39 образуют места крепления для заднего стабилизатора поперечной устойчивости.
Нижняя структура 26 задней части рамы включает силовые элементы 40-43, которые выполнены из квадратной трубы 25х25 мм с толщиной стенки 1,5 мм и имеют шипы, с помощью которых происходит позиционирование и объединение элементов между собой, с боковыми структурами 17 и задней стенкой 25 рамы. Кроме того, на них вырезаны отверстия для позиционирования пластин крепления тяги Панара к раме автомобиля. Силовые элементы 44-47 выполнены из круглой трубы диаметром 20 мм с толщиной стенки 1,5 мм. Элемент 47 после изгибания с заданным радиусом является нижней образующей задней панели автомобиля.
Нижняя структура 1 передней части рамы (фиг. 8) не входит в структуры, собираемые на отдельных кондукторах. Ее элементы выкладываются непосредственно в главный сборочный стол во время окончательной сборки рамы.
Продольные и поперечные силовые элементы 48-56 выполнены из квадратной трубы 25х25 мм с толщиной стенки 1,5 мм и образуют вместе с боковыми структурами 17, задней стенкой 25 и нижней структурой 26 задней части рамы нижний периметр рамы. Силовые элементы 57 (4 шт.), 58-61 поддерживают верхнюю структуру 2 и образуют средний уровень передней части рамы. При этом элементы 58-61 имеют отверстия для крепления и позиционирования проушин передней подвески. Продольные силовые элементы 62-67 выполнены из квадратной трубы 20х20 мм с толщиной стенки 1,5 мм и образуют низ трансмиссионного туннеля и усиление пола водителя. Элементы 68, 69 и 70 выполнены из круглой трубы диаметром 25 мм с толщиной стенки 1,5 мм и связывают нижнюю часть моторного отсека рамы. Все остальные элементы 71-81 выполнены из круглой трубы диаметром 20 мм с толщиной стенки 1,5 мм и выполняют функции триангуляции и усиления конструкции.
Внутри пространственной рамы размещен карданный туннель, образованный силовыми элементами 62, 64 нижней структуры 1 и установленной на них верхней частью 82 карданного туннеля (фиг. 7). Верхняя часть 82 карданного туннеля выполнена из круглой трубы диаметром 20 мм и толщиной стенки 1,5 мм и пластин толщиной 3 мм. Система пазов и шипов позволяет упростить процесс сборки, минимизировать возможные ошибки позиционирования деталей и обеспечивает интеграцию карданного туннеля в силовую структуру рамы автомобиля. Элементы 83, 84 и 85 заключают в контур пластину 86 и образуют силовой элемент, защищающий переднюю часть водительского пространства в случае разрушения карданного вала. Таким же образом элементы 87, 88 и 89 заключают в контур пластину 90 и образуют силовой элемент, защищающий заднюю часть водительского пространства. Для точной установки пластины 91 крепления рычага коробки передач и пластины 92 крепления ручки регулировки баланса тормозов в элементах 93 и 94 выполняются прорези и пазы. Диагональные элементы 95, 96 усиливают жесткость карданного тоннеля. Элементы 97 и 98 соединяют верхнюю часть 82 карданного тоннеля с верхней структурой 2 рамы, а элементы 99 и 100 – с задней стенкой 25.
Задняя часть рамы дополнительно включает пять трубчатых элементов 101-105 выполненных из круглой трубы диаметром 20 мм с толщиной стенки 1,5 мм и выполняющих функцию крепления задней алюминиевой обшивки кузова (фиг. 9). Первый трубчатый элемент 101 выполнен в виде дуги, соединенной своими концами с верхней частью задней стенки 26. Второй и третий трубчатые элементы 102 и 103 соединяю дугу в средней ее части с нижней структурой 26 задней части. Четвертый и пятый трубчатые элементы 104 и 105 соединяют по диагонали верхнюю часть задней стенки 25 с нижней структурой 26 задней части.
Каркас кузова автомобиля содержит также каркас 106 безопасности, выполненный из силовых элементов, изготовленных из труб и соединенный с пространственной рамой при помощи сварки (фиг. 1, 10). Передняя дуга 107, задняя дуга 108 и две опоры 109 передней дуги 107 выполнены из круглой трубы диаметром  45 мм и толщиной стенки 2,5 мм, а остальные силовые элементы каркаса 106 безопасности выполнены из круглой трубы диаметром  40 мм и толщиной стенки 2 мм: поперечина 110 задней дуги 108, первый диагональный элемент 111 задней дуги 108, опоры 112 и 113 задней дуги 108, продольные эле элементы – боковые дуги 114 и 115, второй и третий диагональные элементы 116 и 117 и дополнительные боковые элементы 118 и 119.  Каркас безопасности включает также нижний задний элемент 120, нижний передний элемент 121 и опору рулевой рейки 122, выполненные из прямоугольного профиля 40х20 мм с толщиной стенки 1,5 мм. Элемент 123 крепления подголовника водителя выполнен из прямоугольного листа толщиной 3 мм, имеющего отверстия для облегчения конструкции и крепежных отверстий для фиксации мягкой части подголовника водителя.
Концы передней дуги 107 соединены с опорами 109, закрепленными на нижней структуре 1 передней части рамы. Концы задней дуги 108 соединены с поперечиной 110 и верхней частью задней стенки 25. Верхняя часть задней дуги 108 соединена посредством двух опор 112 и 113 с нижней структурой 26 задней части рамы и с одной из опор 113 – посредством первого диагонального элемента 111.  Верхние части передней и задней дуг 107 и 108 дополнительно соединены вторым диагональным элементом 116. Третий боковой диагональный элемент 117 соединяет концы передней и задней дуг 107 и 108, а два дополнительных боковых диагональных элемента 118 и 119 соединяют соответственно боковую ветвь передней дуги 107 с боковым диагональным элементом 117 и последний с нижним силовым элементом 18 боковой структуры 17. Боковые элементы 117, 118 и 119 имеют дугообразную форму и образуют боковую часть каркаса 106 безопасности (фиг. 1).
На фиг. 2 показано, что центральная плоскость 124 моторного отсека рамы и центральная плоскость 125 карданного тоннеля смещены относительно центральной вертикальной плоскости 126 рамы. В конструкции рамы смещение центральной плоскости 124 моторного отсека рамы может составлять, например, 40±5 мм, смещение центральной плоскости 125 карданного тоннеля может составлять, например, 20±5 мм. Это обеспечивает увеличение пространства для водителя и смещение центра масс автомобиля с водителем в сторону центральной плоскости рамы, что улучшает развесовку автомобиля. Ширина водительского места в районе спины 460 мм и в районе педального узла (ног водителя) 282 мм. Ширина пассажирского места в районе спины 419,5 мм. При этой компоновке удалось сохранить небольшие габариты рамы 1277 мм по ширине и 2991 мм по длине, что в свою очередь дает возможность удержать общий вес автомобиля в пределах 500 кг.
Конструкция каркаса безопасности превосходит все существующие решения по нескольким параметрам:
- использование труб большего диаметра, основная труба каркаса безопасности имеет диаметр 45 мм (вместо 38 мм) с толщиной стенки 2,5 мм (вместо 1,5 мм);
- каркас безопасности является цельной структурой с общей рамой автомобиля (на прочих аналогах, каркас безопасности – это дополнительный элемент, фиксируемый болтами);
- существенно изменена сама форма каркаса безопасности, а именно защитная боковая часть каркаса со стороны водителя закрывает от возможных ударов не только туловище, но и ноги водителя.
Все это вместе не только повышает общую безопасность, но также существенно увеличивает жесткость рамы на кручение.