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.

1. Что такое каркас безопасности
2. Жесткость кузова
3. Таблица значений жесткости кузова
4. Способы увеличения жесткости
5. Навесные усилители жесткости
6. Усиление кузова
7. Виды каркасов
8. Болтовой каркас безопасности
9. Вварной каркас безопасности
10. Приложение J
11. Приложение 14
12. Каркас безопасности своими руками

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

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). Источник Источник 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 Источник Источник 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 Источник Источник 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.

Граница безбашенности: что защищает раллийного пилота на гонках?

Мы не станем здесь иронизировать на тему того, что можно серьезно навредить здоровью, даже занимаясь абсолютно безобидным хобби вроде вышивания крестиком и игры в пинг-понг. Конечно, возможностей при этом открывается гораздо меньше, чем если вы себя привяжете ремнями к трехсотсильному автомобилю и попробуете пройти «вон тот поворот» между вековых елок на скорости слегка выше разумной.

Зачем нужна безопасность

Моторные технические виды спорта изначально были в авангарде в плане травмоопасности. На заре автомобильных гонок спортсменов с полной серьезностью называли «гладиаторами наших дней»: при полном отсутствии культуры безопасности, особенностях конструкции и управления тогдашними транспортными средствами любая ошибка действительно становилась фатальной, и несчастные случаи были делом обычным. Довольно остро вставал вопрос о каких-либо мерах предосторожности.

Методом проб и ошибок было положено начало основной логике автоспорта: обеспечению безопасности в борьбе за секунды. Этот процесс не останавливался никогда: год за годом совершенствовались автомобили, применялись все новые материалы и решения, подходы к элементам защиты, и можно гарантировать: спортивная машина каждого следующего поколения – это гораздо более безопасный спортивный снаряд, чем все разработанное до нее. Сотни инженеров приложили свою руку, чтобы машины становились надежней, крепче, продуманней и защищали сидящего внутри человека максимально эффективно.

Естественно, нововведения и инженерный прогресс год от года не делали гоночную машину дешевле. Прямое следствие и, с другой стороны, причина усиления безопасности в современном автоспорте – пожалуй, его. дороговизна! В большой степени из-за нее автомобильные гонки никогда не были повально массовыми, да и сейчас ими занимаются не так много людей, но зато мы имеем счастье озвучивать довольно скромную «печальную» статистику.

И все же они – несчастные случаи – происходят? Да, ответим прямо, случаются, и не так редко. Но какой профессиональный спорт потенциально не опасен и не рискован.

Сложно подготовить машину для соревнований на пусть и перекрытых, но все же дорогах общего пользования (а именно так проводится классическое ралли): в случае внештатной ситуации нет надежды на помощь сторонних средств безопасности – гравийных «ловушек», зон вылета, барьеров из шин, как в кольцевых гонках. Раллийный автомобиль сразу оказывается один на один с рельефом, элементами ландшафта, деревьями и обрывами. Именно поэтому очень непросто было продумать и грамотно совершенствовать все то, что сейчас защищает экипаж в ралли.

В настоящее время наработки и многолетний опыт в автоспортивной безопасности сложились в единый комплекс мер и требований, отличающийся деталями для каждой дисциплины, но в целом однозначно описывающий каждую мелочь, применяемую в гоночной технике (и отнюдь не только средства безопасности). В ралли при постройке автомобиля руководствуются жесткими и однозначными требованиями омологации – четкого списка допустимых изменений для каждой конкретной модели, одобренного Международной автомобильной федерацией FIA.

Именно омологация каждого конкретного автомобиля прописывает используемые материалы и применяемые технические решения и строго регламентирует доработки всех типов: любая «мелочь», подробно описанная в этом документе, является результатом многократных испытаний и накопленных знаний, включая печальный опыт неверных решений. Впрочем, омологация – вещь временная. Когда «выходит срок» и модель устаревает – на ней все еще можно ездить в ралли, но уже лишь в национальных первенствах, а требования к подготовке таких «устаревших» машин с нуля более лояльны.

Так или иначе, существует и обновляется список стандартов экипировки, которая может применяться в официальных соревнованиях, – он длинный и разнообразный, со своими ограничениями и рекомендациями. Но именно эта скучная «бумажная волокита», где все занудно и однообразно расписано по пунктам, служит гарантом постройки однозначно безопасного автомобиля!

Пассивная безопасность ралли-кара

Классическое ралли – на то и «классическое», что именно в нем пока еще просматривается исходная мысль дисциплины. Даже в 2015 году эти соревнования не ушли от старой идеи «гонок на стандартных автомобилях». Другое дело, что от его величества Стандартного Автомобиля в современной раллийной технике почти ничего и не осталось.

И тем не менее в основе раллийной машины есть стандартный заводской кузов, который вполне мог отправиться в автосалон и стать вашим. Просто он был отобран с конвейера для создания спортивного автомобиля: вот тут-то все и началось. Но в отличие от некоторых кольцевых дисциплин раллийный автомобиль хотя бы этим приближен к серийному – у него нет силовой капсулы, склеенной из углепластика в специальной печи-автоклаве, или пространственной рамы из труб и профиля, на которую навешиваются пластиковые «а-ля серийные» внешние панели.

Зато в кузове раллийной машины есть каркас. Это сооружение из нескольких десятков метров изогнутых и сваренных труб внутри того самого «стандартного» кузова. Каркас усиливает стойки кузова, его общую жесткость и намного снижает критическую деформацию в случае аварии. Все сочленения и пересечения труб строго просчитаны и испытаны, более того – каркас постоянно «эволюционирует» – требования к его постройке с завидным постоянством меняются, в первую очередь во благо безопасности.

Он так и называется – каркас безопасности – и действительно спасает жизни пилотов в минуту нехорошего стечения обстоятельств. Кроме пилотов радуются наличию каркаса и инженеры – им достается жесткий, усиленный кузов с большим запасом прочности, а это никогда лишним не бывает.

Каркасы безопасности, как и кузова раллийных автомобилей, бывают разными: более или менее развитыми, более легкими или тяжелыми, со своими особенностями – все зависит от дальнейшей судьбы машины и технических требований к ней. Применение каркасов безопасности было узаконено и сделано обязательным в 1971 году, когда FIA взялась за создание кодекса требований – первого омологационного стандарта – для этого жизненно важного девайса. Но как же далеки они были от современных произведений инженерного искусства!

Во всех современных спортивных автомобилях, соответствующих действующей омологации, каркас не может быть создан или видоизменен пользователем: он жестко следует описанию в омологационной карте и устанавливается только специализированной «придворной» компанией производителя, имеющей допуск FIA для подобного рода деятельности. Когда ты покупаешь подобный автомобиль, тебе обычно доставляют несколько контейнеров с «конструктором» в виде узлов и агрегатов. Самым крупным будет являться кузов с уже готовым каркасом.

В числе запчастей, доставляемых заказчику вместе с кузовом, как правило, находится и все необходимое оборудование безопасности, не являющееся уникальным: дело в том, что очень многое из элементов защиты является «носимым» и подбирается пилотом индивидуально в рамках требований FIA. Из «универсальных» вещей, отвечающих за безопасность, в машине присутствуют несколько важных элементов.

Первое – система пожаротушения: она применяется практически во всех раллийных автомобилях, дополняясь ручными огнетушителями. Интересно, что система пожаротушения. не предназначена непосредственно для полного тушения воспламенившейся спортивной машины! Основная функция четырехлитрового баллона и нескольких форсунок, выведенных от него в моторный отсек и «в ноги» экипажу, – дать пилотам возможность покинуть загорающийся автомобиль без паники. Система при автоматическом срабатывании некоторое время лишь сдерживает распространение огня, но не способна полностью потушить его.

Как правило, у пилотов существует два ручных огнетушителя, надежно закрепленных, чаще всего спереди под сиденьями: в случае необходимости их применяют либо сами гонщики, либо болельщики и зрители, которые прекрасно знают стандартное расположение этих важнейших предметов.

Список «универсальных» элементов на этом заканчивается: остальные устройства и предметы, защищающие экипаж раллийного автомобиля, подбираются под конкретного человека. Во-первых, это сиденья. Они не выглядят особо безопасными до тех пор, пока не сядешь в такой «ковш» самостоятельно: жесткое сиденье с высокими боковинами и развитой боковой поддержкой спины, зачастую имеющее еще и выступающие «уши» в районе головы (чтобы ограничить перемещение головы в шлеме при аварии и тем самым снизить воздействующие на нее перегрузки). Такая конструкция легка, прочна и отлично фиксирует тело пилота в удобном и безопасном положении. Подбирается отдельно для каждого человека, дабы уровень комфорта и защиты был максимальным.

К сиденьям также применяется омологационная политика – для современной раллийной машины есть лишь несколько видов сидений, пригодных к установке в конкретный автомобиль. Все прочие варианты не получат одобрения на предстартовой технической комиссии, где специально обученные эксперты проверяют соответствие «бумажного» и фактического содержимого автомобиля.

Но само по себе сиденье – лишь удобное рабочее место. Все мы пристегиваемся ремнями безопасности в обычном автомобиле, так ведь? Пристегиваются и раллисты, только ремни у них гораздо более «серьезные». Многоточечная система лямок охватывает плечи и тазовую область, собираясь в один замок с системой быстрого открывания: единственный щелчок, и человек готов покинуть машину.

Ремни работают и как средство удержания пилота при быстрой езде (намного удобней управлять машиной, ощущая ее как продолжение собственного тела), и для безопасной фиксации при жестких ударах: все остальные системы не помогут или навредят, если тело будет слишком свободно перемещаться по салону в момент удара или переворота. Ремни создаются лишь уполномоченными фирмами согласно жестким требованиям действующего стандарта: это совсем не те тоненькие лямки семидесятых годов, которые шили вручную чуть ли не «на коленке» перед гонкой.

Современные ремни безопасности – это надежные крепления к кузову, специально спроектированные пряжки, быстроразъемные замки и даже особое плетение ткани, позволяющее ей при ударе программируемо растягиваться для поглощения энергии.

Гардероб спортсмена

Тут самое важное – шлем. Современный шлем – это не слишком тяжелое, но очень технологичное устройство, созданное из новейших материалов с учетом многолетнего опыта (и, разумеется, требований самого современного стандарта безопасности). Внутренний объем шлема может изменяться и подгоняться под конкретного человека при помощи съемных накладок. Это далеко не та кожаная шапочка с застежкой под подбородком, с которой начиналась безопасность в ралли! Раллийный шлем имеет, кроме всего прочего, встроенную систему связи – микрофон и наушники, которые подключаются к установленной в автомобиле «переговорке», – их надежность тоже должна быть на высоте, ведь отказ обратной связи «пилот-штурман» может стоить слишком дорого.

Источник Источник Источник http://znanieavto.ru/korpus/karkas-bezopasnosti.html
Источник http://www.kolesa.ru/article/granica-bezbashennosti-chto-zaschischaet-rallijnogo-pilota-na-gonkah-2015-09-25