Жизнь в клетке

Когда заходит разговор об элементах пассивной безопасности, многие сходу называют ремни, подушки, преднатяжители. При этом забывают ещё об одной важной, а точнее, основной её составляющей – кузове. Именно на разработку его структуры уходит больше всего средств и времени. Именно он первым выступает на защиту экипажа и дольше всего сопротивляется мощнейшей силе удара. Именно от работы этого «бронежилета» зависят жизни и здоровье попавших в аварию.

Давным давно

До Второй мировой войны конструкторы считали, что автомобильный кузов – это, в первую очередь, носитель узлов и агрегатов. И уж в минимальной степени – защитник экипажа в дорожных коллизиях. Более того, непоколебимо было утверждение, что чем конструкция жёстче, тем она безопаснее. Прорыв произошел на стыке 40-х и 50-х годов прошлого века. Молодой венгерский инженер Бела Барени, работающий тогда в исследовательском центре Мерседеса в Зиндельфингене, представил несколько революционных конструкций кузовов. От повреждений обитателей салона защищал жёсткий кокон – так называемая «клетка» безопасности, а впереди и позади неё находились сминаемые зоны.

При аварии последние деформировались, поглощая кинетическую энергию удара. Это позволяло снижать перегрузки, которые испытывали пассажиры, а вместе с ними и риск повреждений и травм. В 1952 году Барени получил патент за номером 854 157. Так был заложен один из фундаментальных камней, на которых по сей день стоит вся пассивная безопасность.

Первый автомобиль, получивший кузов с «клеткой» безопасности и сминаемыми зонами, – Mercedes-Benz W111 (1959 год), легендарный Heckflosse. Бела Барени опробовал на этом автомобиле и ещё два новых элемента пассивной безопасности – складывающуюся при ударе рулевую колонку и травмобезопасный руль

Принципиально с точки зрения пассивной безопасности автомобильный кузов больше чем за полвека не изменился. Седоков всё также надёжно оберегает от травм клетка безопасности, а сминаемые части отводят от неё энергию удара. Но постоянные исследования повреждений, полученных автомобилями в крэшах, анализ конструкций и современные методы расчетов позволили серьёзно совершенствовать принцип «клетки и сминаемых зон», заложенный великим Барени.

При фронтальном столкновении удар распределяется одновременно по нескольким «трассам», расположенным на разных уровнях: верхние силовые элементы, посередине – поперечина бампера и лонжероны, внизу – подрамник и ниши передних колёс. От лонжеронов давление и энергия передаются на силовые элементы, расположенные по бокам и на задней стенке моторного отсека, а также центральный тоннель. Часть принимают и профилированные усиленные панели, закрывающие колесные ниши. От них энергия передаётся на передние стойки, усилители дверей, их проёмов, порогов. Дополнительные раскосы отводят разрушительную силу от «клетки» безопасности, тем самым снижая риск деформации

Чаще всего, по статистике, автомобили вступают в единоборство лицом к лицу. С передней части и начнем. В отличие от первых «одноэтажных» конструкций, современные кузовы поглощают энергию удара на нескольких высотных уровнях. Больше площадь контакта, а значит, больше и путей, по которым будут расходиться силы.

Сильны на передок

Первым на себя принимает удар бампер (точнее, «передний модуль» или «фронт-энд», включающий в себя не только бампер с силовыми элементами, но и радиаторы, их вентиляторы, решётки, противотуманные фары и ходовые огни) – его поперечина распределяет энергию на незагруженные части кузова. Таким образом, удаётся максимально эффективно реализовать принцип «сминаемых зон». Большая часть энергии от поперечины передаётся на лонжероны пола. Причём к ним этот силовой элемент бампера крепится через «краш-боксы» – элементы с запрограммированной деформацией, которые на малых скоростях, примерно до 15 км/ч, ценой своей жизни (или фигуры) оберегают основную силовую структуру от повреждений, а владельца – от серьезных затрат на ремонт.

Производители однообъёмных автомобилей с короткой передней частью вынуждены придумывать хитроумные конструкции, чтобы эффективно отводить удар. Например, Мерседес на свой А-Класс устанавливал двигатель под углом до 59о. При столкновении он уходил под пол, тем самым не нанося повреждений клетке безопасности и не затрагивая жизненного пространства салона

Естественно, если удар происходит на более высокой скорости, то разрушающая сила неудержимо прорывается дальше, затрагивая прочие элементы кузова. Другой путь для разрядки лежит через подрамник. Обычно его делают из высокопрочной стали, чтобы облегчить конструкцию и в тоже время придать ей максимальную жёсткость. От этого узла зависит не только безопасность, но и множество прочих важных параметров автомобиля. Например, вибро- и шумоизоляция, управляемость, устойчивость. Ведь на нём подвешено большинство основных агрегатов и узлов: двигатель с коробкой, передняя подвеска, рулевое управление. Однако, несмотря на требуемую жёсткость, при определенном усилии подрамник тоже сминается, а излишек энергии через опоры переходит на центральный пол и лонжероны.


Кроме того, просчитывая характер деформации, распределение сил на вертикальных и горизонтальных уровнях и перегрузки, действующие на пассажиров, конструкторы думают и о других участниках движения. Например, кузов высокого и тяжелого внедорожника проектируют так, чтобы при встрече с малолитражкой он нанес ей минимальный вред. И даже помог, насколько возможно, погасить огромную энергию удара.

Заходят с тыла

Спланировать заднюю часть кузова проще, чем передок. Если, конечно, речь идёт об автомобилях с переднемоторной компоновкой, которых большинство. Безусловно, нюансы есть, например, в зависимости от типа кузова. Силовую структуру для хэтчбека разработать сложнее, чем для седана или универсала. Ведь спасительного сминаемого пространства у таких машин меньше, а энергию приходится гасить столь же эффективно. Или взять хотя бы семиместный минивэн или кроссовер – непросто защитить людей, когда от бампера до последнего ряда сидений не больше полуметра. Вот и мудрят конструкторы, экспериментируя с дополнительными элементами в конструкции кузова, чтобы эффективнее погасить и отвести от людей страшную угрозу. Но, несмотря на все хитрости и усилия инженеров, в любом случае кузовы седана или универсала (если брать одну и ту же модель) при ударе сзади обеспечивают большую безопасность, чем кузов хэтчбека. Всё решают спасительные сантиметры – удлинённая «корма» с более длинными лонжеронами способна поглотить больше энергии и плавнее погасить удар.

Золотая клетка

Итак, силовая структура в передней, задней частях и по бокам кузова сконструирована так, чтобы целенаправленно деформироваться и поглощать энергию удара. А внутри находится твердое «ядро», которое даже при сильных ударах сохраняет жизненное пространство для пассажиров. Поэтому основные элементы этой «скорлупы» делают из ультравысокопрочных сталей и листовых панелей с большой твердостью. Впрочем, принципы построения полностью алюминиевых и комбинированных кузовов идентичны.

На примере современного кузова Audi Q7 можно изучать металловедение. Здесь применены обычные, высокопрочные, ультравысокопрочные, ультравысокопрочные стали горячей штамповки, а также алюминий, магний, пластмасса и углепластик. В последнее время обычные стали глубокой вытяжки постепенно уступают место высокопрочным легированным, обладающим меньшей массой и большей прочностью – из них делают почти 2/3 листовых панелей. Всё чаще встречаются ультравысокопрочные стали, которые в три-четыре раза прочнее традиционных сортов стали. Их доля во многих моделях уже доходит до 20%

Детали пространственной алюминиевой силовой структуры Space Frame Аudi A8, выполнены по различным технологиям. Основные силовые элементы, усиленные рёбрами жёсткости (лонжероны, центральный тоннель, элементы крепления подвески и т.п.), выполнены методом литья под давлением. Профили переменного сечения (например, стойки крыши – сечения A-A, В-В, С-С, D-D) цельнотянутые. Центральные боковые стойки для повышения жёсткости кузова выполнены из высокопрочной стали, они составляют 8% всей массы силовой структуры. Алюминиевые панели пола и оперения тоже из «крылатого» металла, они штампованные. Справа внизу фото лонжерона, изготовленного методом литья под давлением, и элемент с зоной программируемой деформации

У нового Porsche 911 Carrera cиловая структура комбинированная. Например, «клетка» салона выполнена с применением высокопрочных (оранжевый) и сверхвысокопрочных (красный) сталей. Передняя часть кузова и пол – почти полностью алюминиевые, голубым цветом отмечены отштампованные из алюминия элементы. Зелёным отмечены стальные штампованные детали и стальные элементы, выполненные с применением глубокой вытяжки. Чёрным помечены элементы из магния. Сталь, алюминий и магний соединяются преимущественно при помощи заклёпок и резьбовых соединений. Прямой контакт между деталями исключается специальным клеем-герметиком. Благодаря клею, повышается прочность соединения, осуществляется электрохимическая изоляция (сталь и алюминий являются гальванической парой, а это может приводить к электрохимической коррозии в местах контакта), а также снижается уровень шума. Протяжённость клеевых соединений растёт из года в год – в современных автомобилях их общая длина уже может превышает 100 м. Прочность клёпанных кузовов на клее ничуть не уступает сваренным из стали, и это ещё при меньшем весе!

Больше половины дошедшей до клетки энергии при ударе приходит на пол. Поэтому его конструкция особенно замысловата и состоит из нескольких листовых заготовок, соединенных между собой лазерной сваркой. Средняя, наиболее толстая, образует центральный тоннель – хребет клетки, через который и утекает большая часть ударной силы. Оставшаяся энергия в основном уходит по лонжеронам пола, которые тянутся до поперечных усилителей под задними сиденьями и стабилизируют общую структуру пола.

Лонжероны пола и центральный тоннель – основные элементы, по которым отводится энергия при фронтальном ударе. Поперечные элементы усиливают силовую структуру пола, а также работают при боковом ударе. Пара диагональных раскосов в передней части днища повышают жёсткость кузова, улучшая не только пассивную безопасность, но и управляемость автомобиля

Куда тяжелее защитить седоков от удара в бок, ведь сминаемые зоны, готовые поглотить энергию удара, здесь очень малы. Собственно, по этой причине при прочих равных боковой удар всегда жёстче, а значит, опаснее фронтального. Именно поэтому подавляющее большинство современных «гражданских» легковых автомобилей делают склонными к сносу (скольжение передней оси), а не к заносу. Принцип прост: пусть лучше при потере управляемости в повороте автомобиль скользит передними колёсами наружу поворота и гарантированно надвигается на препятствие передком, хорошо амортизирующим удар. И ещё – ремни и передние подушки при фронтальном ударе более эффективны. И выкиньте из головы ошибочное понятие – «биться чем угодно, но не мордой» – раз и навсегда. Удар в бок при равной силе всегда опаснее удара в переднюю часть.

При боковом столкновении основной удар приходится на центральные стойки и двери, от которых энергия по кузову растекается при помощи усилителей и «косынок». Например, от основания центральных стоек она передаётся на поперечный усилитель пола, проходящий под передними сиденьями, и раскос тоннеля, а от верхней части – на силовые элементы крыши. Спасать седоков при боковом ударе структуре кузова помогают и элементы интерьера. Например, каркас сидений усилен трубчатыми профилями, а обивка снабжена энергопоглощающими вставками

Итак, боковой удар...

...Здесь инженерам приходится попотеть. Основную его часть принимают на себя центральные стойки, разветвляющиеся с одной стороны в крышу, с другой – в пол. Так как им приходится сдерживать первый натиск, эти детали делают из ультравысокопрочной стали горячей штамповки. Не меньший интерес представляют и внутренности дверей. Их силовой каркас состоит из элементов, усиленных ближе к рамке на поясе и на уровне бампера дополнительными профилями. Предусмотрены и усилители между наружной и внутренней частями двери – они также работают на безопасность.

Разработать кузов кабриолета – одна из наиболее сложных задач для автомобильных инженеров. Ведь функции крыши приходится распределять между другими кузовными модулями. А для этого их нужно усиливать, снабжая дополнительными элементами или подыскивая подходящие материалы, обеспечивающие должную жёсткость. Дорабатывают конструкцию пола, дверей, задней стенки моторного отсека, а также рамки ветрового стекла – на неё основная надежда при перевороте. Чтобы головы седоков при перевороте в прямом смысле не снесло, за затылками устанавливают специальные дуги. Они могут быть установлены статично, а могут быть активными, то есть, при ударе выстреливать вверх, как, например, у Saab 9-3 Convertible (на видео ниже)

Слабых бьют сильно, но аккуратно

В последнее десятилетие перед инженерами, разрабатывающими кузовы, поставили ещё одну непростую задачу. Автомобиль должен наносить минимум вреда пешеходам. И необходимые меры предприняли, причём большинство из них пошли на пользу не только безопасности, но и аэродинамике. Острые кромки кузова сгладили, фары вместо стёкол получили мягкий прозрачный пластик, бамперы стали податливее и обрели дополнительные внутренние и наружные энергопоглощающие вставки, наружные зеркала поголовно стали складывающимися, дверные ручки – утопленными в кузовные панели или хотя бы закругленными, а щётки стеклоочистителей всё чаще скрываются под капотом.

Так Mercedes проверяет, насколько безопасен для пешеходов передок автомобиля. Испытательный стенд с насадкой, имитирующей голову человека, последовательно обстукивает автоматически отстреливающийся вверх капот, выявляя его способность деформироваться и эффективно гасить энергию

Чтобы уберечь пешеходов от серьёзных травм головы и плечевого пояса, производители старательно подстилают соломку. Место приземления делают максимально мягким. Для этого увеличивают расстояние между капотом и двигателем, чтобы эффективнее погасить энергию при ударе. На многих автомобилях капот дополнительно приподнимается на «податливых» шарнирах. Обычно они приводятся в действие механически, когда пешеход наваливается на переднюю часть, реже – при помощи пиропатронов.

Многие из этих изменений приурочивали к рестайлингу моделей, а наиболее сложные закладывали при проектировании следующего поколения автомобилей. Как, например, дополнительное пространство между капотом и агрегатами, расположенными в моторном отсеке. Этот зазор позволяет приземляющемуся на переднюю часть автомобиля пешеходу получить те самые несколько десятков спасительных миллиметров – проминающееся «железо» гасит энергию удара (на капот он приземляется головой), тем самым снижая у зеваки риск повреждений и травм. Вроде бы, подумаешь, несколько миллиметров. Но для этого приходилось серьёзно вмешиваться в компоновку подкапотного пространства – утапливать двигатель, верхние точки крепления амортизаторов, бачков с жидкостями, электронных блоков, и при этом – чтобы дорожный просвет не пострадал. Или наоборот, поднимать линию капота, что сказывалось и на аэродинамике, и на внешнем виде. Именно поэтому часто эти нововведения оттягивали до выхода в свет новой модели.

BMW предлагает капот из… вторичного картона. Сотовая бумажная структура не только эффективно поглощает энергию удара, но и позволяет снизить массу и стоимость детали. При этом по прочностным характеристикам не хуже аналогов из стали и алюминия

Теперь вы понимаете, насколько сложная и важная деталь – кузов. И какую роль он играет в общем деле, название которому «безопасность». Не дай бог, конечно, убедиться в этом на собственном примере. Однако от дорожных происшествий никто не застрахован. А потому, выбирая подержанный автомобиль, в первую очередь обратите внимание на состояние кузова. Серьёзный ремонт, сквозная коррозия, нарушенная геометрия – весомый повод продолжить поиски. Здоровье и жизнь того стоят.

Что такое «хорошо» и что такое «плохо»

Ниже мы привели в пример испытания двух автомобилей, выпущенных в разное время. Современный Opel Astra J куда безопаснее древнего Opel Vectra B. Обратите внимание на характер деформации кузовов – невооружённым глазом видно, что «клетка» салона Астры существенно крепче. Так что при выборе и покупке автомобиля советуем придерживаться правила: чем новее модель, чем она тяжелее – тем она безопаснее. Прогресс не стоит не месте, буквально каждые полгода-год появляются решения, позволяющие существенно повышать прочность силовой структуры кузова и оптимизировать работу зон программируемой деформации, гасящих энергию удара. Что касается массы – здесь всё просто. При столкновениях работает эффект молотка и наковальни – чем больше масса автомобиля, тем ниже пиковые замедления при ударе, тем безопаснее автомобиль. На стадии покупки и выбора следующей машины не забудьте посмотреть на рейтинг её безопасности. Может пригодиться. И ещё – каким бы современным и продвинутым ни был автомобиль, сколько бы подушек в нём ни было – всё это абсолютно бесполезно без ремней безопасности.

Виталий Кабышев, Анатолий Кучерявенко
Фото: Виталия Кабышева и фирм производителей

http://auto.mail.ru/article.html?id=38954