Усиление лонжеронов Волги (часть 1)

Перед прочтением статьи попрошу ознакомиться с основными базисами:
1. При проектировании автомобилей и любых подвижных систем практически не рассматривается статическая нагрузка в отдельности, только лишь в свете максимальнодопустимого динамического переменного нагружения, в разы превышающего по значению статическое и многократно превышающего статическое по скорости наростания усилия (g). Так, стоячий кузов воздействует на лонжерон с ускорением g, в то время как подвеска, получившая реактивное нагружение от попадания в выбоину, воздействует на лонжерон с ускорением 2-5g (зависит от геометрии ямы и скорости автомобиля). Несложно посчитать усилие F = mg: кузов возлагает на передний лонжерон около 500 кг массы, отсюда F = 500 кг * 9.8 = 4900 Н, в то время как балка и двигатель общим весом около 350 кг создает от реакции с дорогой усилие F = 350 кг * (2…5) * 9.8 = 7000…17500Н.
Вывод: в статье я не рассматриваю статическую нагрузку, только внешнее нагружение системы при движении.

2. Не знаю насколько официально, но у нас у конструкторов имеется такой двунаправленый термин как отгиб/прижим сварного шва, эмпирически сформулированый (опытным путем). Что это значит? Все просто:

Опытным путем доказано, что при воздействии силы F1 работающей на отгиб (разрыв) сварного шва, происходит значительное разрушение сварного соединение от ближайшей точки и проходящее до дальнего края сварного шва. Вызвано это тем, что в основном начинает сопротивляться край сварного шва и не выдерживает. В случае же с нагружением силой F2, происходит же прижим сварного шва. В виду того что работает весь сварной шов, как правило в этих случаях гнет либо саму консоль к которой приложено усилие, либо деталь-основание, к которому приварена консоль — сварной шов страдает исключительно редко.
Вывод: при вывешивании переднего подрамника возникает наиболее деструктивное напряжение F1 (см. картинку), поэтому удар в подвеску F2 я не рассматриваю.

Думаю не секрет, для тех кто хотя-бы маломальски касался СОПРОМАТа, что передние автомобильные лонжероны образующие подрамник, в сути своей являются ничем иным, как консолями — несущими элементами имеющими с одной стороны (стороны моторного щита) жесткую заделку, и лишенные опоры с другой стороны.

Соответственно, если например нагрузить консольный конец лонжерона силой F, то учитывая рычаг образованный этой консолью (а у Волги рычаг составляет до 1м), край балки неумолимо начнет стремиться вниз, по вектору приложения силы. В данной картине возможны три сценария развития событий:
1. Жесткость консоли и прочность заделки превышает величину крутящего момента, создаваемого усилием F — абсолютно ничего видимого глазу не произойдет.
2. Жесткость конструкции уступает крутящему моменту в некотором диапазоне упругой деформации конструкции, но суммарная прочность больше величины крутящего момента — возможен небольшой изгиб консоли, который исчезнет при исчезновении силы F.
3. Жесткость конструкции существенно меньше крутящего момента — возможна остаточная деформация как самой консольной балки (лонжерона) так и разрушение жесткой заделки (надрыв сварных швов или стенок лонжерона).

В некоторых пределах, пункты 2 и 3 решала установленная инженерами ГАЗа — так называемая укосина, которая создавала для лонжерона ничто иное как вторую точку опоры. Справедливости ради стоит отметить, что укосина является простым листовым швеллером который в силу своей природы и места установки придерживает лонжерон в обоих направлениях.

Пускай часть консоли по прежнему продолжала существовать, но система становилась жесткой и до какой-то степени неподвижной. Соответственно, если убрать укосины, то при резком вывешивании передней оси автомобиля в воздухе (например полет в яму), лонжерон начнет под весом двигателя и тяжелой балки подвески провисать вниз (не забываем еще о весе брызговиков, крыльев, капота и всего прочего что преимущественно опирается на лонжерон). А так как лонжерон связан с брызговиками и придаточными усилителями лонжерона у самого основания моторного щита, то он будет тянуть их за собой — это приведет к разрыву сварного шва (сверху вниз) крепления брызговика к моторному щиту и дальнейшему разрушению ближних точек соединения лонжерона с кузовом.
Тем самым, становится ясно, что без укосин прочности передка Волге не добиться. Другой вопрос в том, имеются ли здравые альтернативы укосинам, ведь очевидно, что данное техническое решение наиболее интуитивно наклевываемое, но явно не из самых конструктивно удачных:
1. Занимает много полезного пространства в моторном отсеке.
2. Посредственно удерживает подрамник от горизонтальных перемещений.
3. Весьма низкий предел прочности и жесткости — в российских дорожных условиях порой на пределе прочности.

Дополнительно стоит отметить тот факт, что у Волги отсутствует вменяемая связь между лонжеронами, от чего при кренах возникает взаимное гуляние в подрамнике.

Не забудем и еще об одном моменте — если даже укосина (и ее сварные швы) и выдержит нагрузку налагаемую на нее лонжероном, то поверхность, к которой приварена укосина (моторный щит), является тонкостенной штампованной листовой деталью, ничем по сути не усиленной кроме небольших ребер жесткости. Моторный щит может как колебаться в след за укосиной в виду своей парусности, так и вовсе оборваться в местах сварки (сопливой точечной сварки).

Вывод: Все усиления брызговиков и лонжеронов выполненные путем крепления усилителей к моторному щиту являются крайне хлипкими и недолговечными.

Как бы это смешно не звучало, но прочные коробчатые конструкции в Волге, начинаются только с порогов кузова, все остальное как всем известно тонкостенные сваренные листовые детали. Следовательно качественно укрепить лонжероны внутри лишь моторного отсека — невозможно!

Посмотрим на классическую структуру кузова современного автомобиля с двумя подрамниками — передним и задним.

В отличие от переднего подрамника, задний живет весьма комфортной жизнью, так как полностью приварен к поверхности кузова и не имеет консолей. Экономии ради, с развитием штамповки, автопроизводители научились избавляться от полноценной рамы и внедрять ее локально в виде подрамников, там где требуется повышенная несущая способность на фоне тонколистового кузова, например в местах установки элементов подвески и тяжелых агрегатов.

Чем же отличается рамная конструкция от конструкции автомобиля с несущим кузовом? Все очевидно из названий решений: рама — единая платформа несущая на себе все, где кузов лишь лежит сверху и прикручен дабы не брякнуться с рамы при повороте. В конструкции с несущим кузовом, именно листовой штампованный кузов несет на себе львиную долю нагрузки.

В большей степени, превратить несущий кузов в полу-несущий или полу-рамный можно соединив и укрепив два существующих подрамника друг с другом. В этом случае двигатель как и кузов будут в равной степени подрессореными на раме образованной соединенными лонжеронами, а моторный щит, к которому приварена вся "морда" Волги перестанет в сути своей быть несущим элементом который ранее держал на себе передний подрамник, а напротив начнет держаться сам за вновь образованную раму.
После того как подрамники будут соединены, вывешивание передней подвески, которое ранее приводило к деформации моторного щита и отрыву лонжеронов, теперь приведет лишь в общему наклону всей рамы вперед.

Спасибо за внимание. Продолжение статьи будет в следующей части.