Каркас безопасности

Зачастую, рассматривая фотографии и видео со спортивными автомобилями мы видим, что в салоне установлены непонятные трубы, которые пересекаются между собой, создавая клетку для водителя. Как ? Зачем ? И почему ? Именно на данные вопросы я постараюсь ответить в рамках данного поста.

Я уже писал пост о распорках кузова и стоек, но на этом усиление кузова не заканчивается, а только начинается. Как Вы уже поняли из названия поста, сегодня разговор пойдет про автомобильные каркасы безопасности и его установку.

Так что же такое каркас безопасности ?

Каркас безопасности - пространственная конструкция, предназначенная для предотвращения серьезной деформации кузова в случае столкновения или переворота автомобиля (РАФ, официальный перевод ст. 253 приложения J МСК FIA).

Для тех, кто пока совсем ничего не понимает: каркас безопасности - это некая конструкция из стальных труб, собранная внутри автомобиля и прикрепленная изнутри к кузову, которая должна сохранить жизненное пространство для экипажа автомобиля в случае аварии, а так же он используется для продольного усиления жесткости кузова.

Изначально каркасы безопасности применялись в раллийных гонках, но позже их применение стало обязательным и в других дисциплинах. Он делается только из круглых труб, т.к. скругленные бока менее травмоопасны.

В зависимости от сложности конструкции каркаса возможны различные варианты усиления. Начиная от простого - бугеля-арки над головами водителя и пассажира - и заканчивая сложным - пространственным скелетом, объединяющим в одну силовую структуру чашки передней и задней подвески, пороги и боковины, а также клетку безопасности самого салона. В обязательном порядке каркас применяют в целях уменьшения деформации крыши при опрокидывании автомобиля и для предотвращения тяжелых травм, ну или на худой конец, для сохранения жизни. Но не будем о грустном.

Разброс цен, как и конструкций так же велик, начиная от $1000 за самую простую конструкцию и заканчивая (по данным найденным в сети) $10000.

Каркас бывает разборным (сборным) и не разборным (вваренным):

Сборно-разборные каркасы - это чаще всего клетка безопасности в салоне, закрепленная к боковой стойке, порогу-полу. Все трубы соединены между собой болтами, именно поэтому в любой момент можно выкрутить болты и разобрать всю конструкцию. Так же его называют болтовой каркас безопасности.

Сваренный (вваренный) каркас - обычно сложный по конструкции, связанный с силовой структурой автомобильного кузова, применяется при серьезном индивидуальном тюнинге. Установка каркаса безопасности в данном случае сложная и кропотливая работа. Необходимо разобрать весь салон до металла, проделать технические отверстия в разных частях кузова для установки труб, соединить их между собой и все это дело сварить.

Если к "бутафорному" (сборному) каркасу предъявлять какие-то особенные требования бессмысленно, т.к. конструкция не дает максимальной жесткости и возможно даже сохранить практически весь салонный пластик (см. тут), то к спортивным, гоночным определены жесткие требования по форме, размерам, применяемым материалам и установке.

Каркасы жесткости существуют для двух или четырехдверных кузовов (двухдверные кузова и каркасы априори жестче). Также стоит отметить, что при установке большинства сложных каркасов машина превращается из 4-5 местной в двухместную. Поскольку задние сиденья отдают для переплетения и крепления труб. Исходя из размера труб их установки, каркас создает определенные трудности с обзорностью. К ним зачастую крепят четырех или пятиточечные ремни безопасности. Если Вы решитесь установить в свой автомобиль каркас безопасности (и многоточечные ремни), пройти техосмотр в России на такой машине будет весьма затруднительно – для этого нужно получить сертификат НАМИ. Да и эксплуатация по городу машин с каркасами по суди дела запрещена. В законах прописано, что управлять транспортным средством с каркасом можно только в шлеме и тут же подвох, что в шлеме ездить по городу запрещено. Идиотека и дурдом одним словом.

Чтобы более четко понять, как устанавливают вварной каркас безопасности в автомобиль, обязательно посмотрите следующее видео:

Материалом для изготовления каркасов являются холоднотянутые стальные трубы (по ГОСТ'у 8734-58 диаметром 38 мм и толщиной стенки 2.8 мм для автомобилей массой до 1200 кг), в редких случаях - алюминий. На практике трубы для каркаса безопасности используют следующие: 45х2,5; 40х2,0 см. В среднем каркас безопасности весит около 40 кг, более увесистая конструкция зависит от сложности. Часто трубы каркаса безопасности окрашивают в яркие цвета. Поверх труб на некоторые участки наносят защиту: обшивают элементы каркаса поролоном (толщина 3-5 мм) или вспененной изоляцией. Все это делается, с одной стороны, для эстетики, а с другой - в целях безопасности при посадке в автомобиль.

Когда искал информацию по каркасам несколько раз натыкался на понятия омологированный и неомологированный каркас. Думаю эта информация будет полезна для общего развития.

Что такое омологированный каркас и что такое неомологированный каркас?

Фирмы, занимающиеся производством каркасов могут отступать от ряда технических требований, выдвигаемых FIA, но при этом каркас должен подвергнуться процедуре омологации. В данном случае омологация - это согласование конструкции, материала и технологии изготовления каркасов безопасности с представителями FIA или национальной автоспортивной федерации (в нашем случае РАФ). В частности, если производитель собирается использовать в своем каркасе материал, отличающийся по характеристикам от требований FIA, каркас должен быть подвергнут статическим нагрузочным испытаниям (говоря проще засунут его под пресс), или должен быть представлен численный расчет прочности по определенной методике. Другая распространенная особенность - крепление каркаса к кузову. Если производитель собирается крепить каркас к кузову автомобиля сваркой - омологация обязательна. Так же в ряде случаев отступают от предписанной FIA схемы каркаса, что тоже требует омологации.

В то же время FIA допускает применение и неомологированных каркасов (некоторые их называют "гражданскими" или как я уже писал выше "сборно-разборные"). В таком случае каркас должен быть сделан из определенной стали, труб определенных размеров, иметь определенную конструкцию и крепиться к кузову болтами.

Один и тот же производитель имеет право выпускать омологированные каркасы и неомологированные, но отвечающие указанным требованиям FIA.

Всем, желающим разобраться в этом вопросе досконально, рекомендуется ознакомиться с содержанием ст. 253.8 Приложения J к Международному Спортивному Кодексу FIA на сайте www.fia.com, приложения 14 к КиТТ РАФ (www.raf.su), приложения 9 к КиТТ и собственно КиТТ (Классификация и Технические Требования).

Пожалуй самый простой в установке - каркас разборный. Именно по этому потратил немного времени и нашел довольно-таки подробный пример, как он собирается.

Как каркас влияет на управляемость автомобилем ?

Главная прочностная характеристика автомобильного кузова — это его жесткость на скручивание, которая закладывается еще на заводе при проектировании автомобиля. Стоит отметить, что у спортивных автомобилей жесткость выше, чем у гражданских, но т.к. это конвейерный продукт, всегда есть места, которые стоит дополнительно укрепить перед использованием кузова в профессиональном спорте. Если жесткость кузова далека до идеала, то реакция на поворот рулевой колонки становится "размазанной" — изгиб кузова и податливость металла в зонах крепления рычагов подвески вносят рассогласование в работу передней и задней оси автомобиля. Постоянное скручивание автомобиля заставляет металл быстрее стареть, накапливается усталость металла. Что со временем приводит к расхождению сварочных швов кузова (см. топик на форуме: проварка кузовных швов автомобиля) и распространению коррозии. Сами понимаете, климат у нас далеко не подарок.

Не могу не затронуть и тот момент, что на жесткость (управляемость) влияет и тип кузова автомобиля. В этом плане 3-х дверные хэтчбеки и купе по жесткости опережают остальных из-за своей формы кузова. Они обеспечивающего максимальное сопротивление изгибу благодаря отсутствию дополнительных дверных проемов и своей компактной форме. Самыми же мягкими считаются - минивэны и универсалы.

Устанавливая автомобильный каркас безопасности, кузов уже перестает быть несущей конструкцией и выполняет скорее роль обложки. Вся нагрузка идет именно на каркас и равномерно распределяется по нему, благодаря пересечению свыше десятка труб, о которых речь пойдет ниже. Автомобиль становиться более собранным, и реакция на повороты руля увеличивается в разы.

За что отвечают трубы в каркасе ? (картинки кликабельны)

Первая схема:

A-post gusset – вставка для соединения каркаса и передней стойки кузова:
Данная вставка обеспечивает необходимую прочность при установке каркаса – вставка приваривается вдоль трубы каркаса и приваривается к передней стойке кузова – конструкция образует единое целое.

Dash bar – поперечная труба под панелью приборов:
Увеличивает жесткость и прочность каркаса при боковых ударах.

Door X bars – Х-образные усилители дверного проема:
Значительно увеличивает прочность и жесткость дверного проема, защищает при боковых ударах.

Front cross – переднее перекрестие труб:
Обеспечивает прочность в поперечном направлении силовой схемы.

Hoop to A-pillar tube – усилитель задней стойки и крыши:
Предназначен для поддержки дуги на уровне крыши.

Hoop cross – Х-образная растяжка средней стойки:
Обеспечивает прочность и жесткость каркаса при опрокидывании на крышу.

Lower rear stay – растяжка от основания средней дуги до задней части кузова:
Образует гипотенузу треугольника, обеспечивает большую жесткость и прочность задней части кузова.

Mid rear stay – растяжки от средней дуги до задней части кузова:
Добавляет прочность задней части каркаса, обеспечивает защиту от боковых ударов.

Rear strut brace – задняя растяжка между стойками:
Обеспечивает большую прочность кузова и распределяет нагрузку от подвески на основания каркаса, может быть использован для крепления ремней безопасности.

Roof cross или roof "V" – крест на крыше или трубы сваренные V-образно у задней дуги:
Увеличивает жесткость каркаса и безопасность людей при опрокидывании на крышу.

Вторая схема:

Rear X – задняя Х-образная растяжка:
Обеспечивает большую прочность задней части каркаса в отличие от диагональной растяжки. Обеспечивает распределение нагрузки от подвески на каркас безопасности (уменьшая нагрузку на кузов в целом). Увеличивает прочность.

Screen pillar support – поддержка трубы над лобовым стеклом:
Важный элемент для салонов автомобилей последних лет с большим наклоном лобовых стекол – обеспечивает поддержку в центре передней части крыши, усиливает конструкцию, защищает при лобовых ударах.

Seat harness tubes – труба для крепления ремней безопасности:
Обеспечивает меньшую длину ремней безопасности и служит для них опорой. Задает оптимальные углы при натяжении ремней.

Single roof diagonal – диагональный усилитель крыши:
Облегченный вариант усилителя, обеспечивающий меньшую прочность и жесткость каркаса по сравнению с Х-образным вариантом.

Triangulation tubes to front struts – треугольник из труб спереди каркаса:
Обеспечивает распределение нагрузки от подвески на каркас безопасности (уменьшая нагрузку на кузов в целом). Обеспечивают защиту ног водителя и штурмана. Также обеспечивает защиту от боковых ударов и передает нагрузку на дуги каркаса.

Tunnel brace – кронштейн крепления каркаса с туннелем:
Обеспечивает защиту от боковых ударов и поддержку основной дуги в случае переворота на крышу автомобиля. Уменьшает нагрузку на каркас распределяя ее на кузов.

В завершении поста, я хочу поднять вопрос, который скорее всего у вас уже зародился в головах ...

Как сделать каркас безопасности своими руками или как сварить каркас ?

Угадал ??? Нет ??? Ну и ладно, все равно поделюсь информацией, которую нашел.
Во первых, чтобы сделать каркас безопасности своими руками Вам понадобиться как минимум умение сваривать металл, ну и соответственно сам материал (холоднотянутые стальные трубы) и сварочный аппарат. В идеале Вам еще понадобятся чертежи каркаса безопасности именно под Ваш автомобиль, чтобы не напортачить с размерами труб и соответственно схема сборки каркаса, чтобы не пришлось потом отрезать приваренные части. Тут как не крути, но без четких размеров и схемы сборки Ваш омологированный каркас не будет соответствовать всем необходимым требованиям, а следовательно автомобиль могут не допустить до соревнований. Если цель каркаса просто усиление жесткости кузова без замаха на соревнования, то советую обратить внимание на болтовой каркас (разборный). Благо есть готовые решения практически на любой автомобиль.

Признаюсь честно, особо чертежи и схемы каркаса безопасности не искал, но при беглом поиске ничего стоящего мне найти так и не удалось. Видимо все это надо искать на специализированных форумах. Из того, что удалось найти:

Если честно, то не очень понятно, на какой автомобиль рассчитана данная конструкция, т.к. написано не по нашенски. И еще нарыл вот такой вот чертежи каркаса безопасности на ВАЗ

Думаю, для ознакомительных целей пригодиться данный чертеж, но использовать его без консультации профессионалов как инструкцию к применению думаю не стоит. Все-таки одно дело, когда каркас разрабатывается именно под Ваш автомобиль, а совсем другое - когда используется мануал просто скачанный из сети без каких либо расчетов нагрузки и испытаний.

Пожалуй на этом можно было бы и закончить, если бы при поиске информации мне не попались некоторые девайсы, которые можно дополнительно установить. Углубляться в их происхождение не буду, но поверхностно все же опишу.

Оконная сетка - крепиться на каркас в районе окна и предотвращает выпадение стекла в салон при аварии.

Поручни - скорее всего бутафорский элемент, т.к. ни на одной фотографии каркаса я их не видел. Но раз есть предложение, значит есть и спрос на них. Скорее всего их используют на сильнозаниженных автомобилях для простоты вылезания их них. Ну или на джипах, где нет крыши, а есть только каркас (это видно из фото)

Итог всему вышесказанному: Если Вы собрались строить настоящий спортивный автомобиль, тотально увеличивать жесткость кузова и максимально обезопасить свою жизнь, то забудьте о всех болтовых каркасах. Каркас надо варить. Не забивайте себе голову мыслями как сварить каркас и как его сделать своими руками, доверьтесь профессионалам. Именно они полностью раздербанят салон, по своим схемам и чертежам проделают все необходимые отверстия, согнут трубы и сделают все по фен шую. Комфорта в авто станет конечно меньше, но его жесткость и безопасность возрастет в разы. ИМХО

Вот теперь-то точно все. Если кто-то найдет неточности в описании или хочет дополнить пост - пишите в комментариях, всем буду очень признателен. Так же, предлагаю ознакомиться с результатами краш-теста Honda Civic ...

P.S. Не забываем подписываться на обновления автомобильного блога, оставлять комментарии, делать ретвиты, ставить лайки и все такое. Заранее всем огромное спасибо!