Рама автомобіля є головною опорною структурою, до якої кріпляться інші компоненти.
Рамна конструкція кузова застосовувалася практично на всіх автомобілях у світі до початку 1960-х років. Перші рами виготовлялися з дерева (найчастіше ясена). У 1930-х роках на зміну дерев'яним прийшли сталеві рами. З плином часу практично всі пасажирські автомобілі змінили свою конструкцію на «несучий кузов» (див. статтю “Конструкція кузова автомобіля, що несе”). У наші дні рамний кузов застосовується в основному для позашляховиків, вантажівок та автобусів. Поздовжні балки рами приймають він основні навантаження. Поперечки забезпечують опір бічним навантаженням та збільшують торсіонну жорсткість.
Рама з одним шаром металу використовується на більшості невеликих та середніх транспортних засобів. Деякі рами складаються із двох шарів металу, мають додаткову балку всередині головної балки. Такий дизайн дає підвищену міцність без втрати гнучкості. Така конструкція може бути на великих вантажівках. Часто подвійний метал використовується лише на окремих секціях рами. Різні виробники мають власні концепції дизайну та розробки, завдяки яким досягають необхідних характеристик рами.
Основні функції рами на транспортному засобі:
- Утримувати механічні компоненти та кузов.
- Приймати він статичні і динамічні навантаження.
- Рама повинна не тільки давати хорошу підтримку для кузова та його компонентів, але також забезпечувати гнучкість. Така гнучкість необхідна, тому що жорстка рама, найімовірніше, трісне, ніж гнучка, яка зможе зігнутися і повернутися назад після припинення навантаження. Рама з торсійною гнучкістю також зменшує навантаження на підвіску при їзді по нерівностях доріг.
Типи рам автомобілів
Типи рам в залежності від конструкції:
- Рама сходового типу (має таку назву через схожість зі сходами)
- Рама, що збігається з периметром кузова автомобіля (класична, подібна до рами сходового типу)
- Х-подібна (застосовувалася в американських автомобілях 1950-1960 років)
- Просторова рама (space frame), тривимірна конструкція із труб.
Типовий матеріал, що використовується для створення рами автомобіля – вуглецева сталь або сплави алюмінію (щоб досягти конструкції легшої ваги).
У випадку з окремою рамою вона зроблена зі структурних елементів, званих балками. Це прості конструкції із сталевих профілів різного перерізу.
- Секції рами можуть бути виготовлені з С-подібного профілю (найпоширеніший тип балок).
- Коробчастого профілю (квадратної труби)
- трубчастих секцій (труба круглого перерізу).
Рами можуть мати закруглені арки. Таким чином, замість того, щоб височіти над півосями, рама з арками розташовується нижче, приблизно врівень з півосями і огинає їх.
Діагностика рами
- Якщо є підозри викривлення рами, потрібно зробити діагональні виміри між контрольними точками (див. “Вимірювання геометрії кузова”), щоб точно визначити, куди відбулося зміщення.
- Для довгомірних рамних транспортних засобів є кілька методів вимірювання рами визначення спотворення. Усі методи використовують пряму лінію як вихідну координату та порівнюють раму з цією лінією, щоб визначити прямолінійність рами. Методи визначення прямої вихідної лінії включають використання лазерного променя, натяг шнура.
- Використання лазера є точним методом. Лазер налаштовується на один кінець рами, приблизно 5 см від краю рами і прямує вздовж рами на інший кінець, на ту ж відстань від краю рами. Частина плоского матеріалу, такого як картон, утримується біля рами. Це робиться у кількох точках вздовж рами. Вимірювання записуються і в ідеалі повинні збігатися на всіх точках. Відхилення означатиме викривлення рами. Також можна перевіряти висоту. Якщо вона відхиляється вгору чи вниз, це означає вигин у рамі.
- Метод із шнуром є подібним методом, як і лазер, крім того, що лазер замінюється шнуром.
- Тест схилом не вимагає спеціального обладнання і підходить, якщо занадто багато перешкод вздовж рами, що заважають вимірюванню і складних у демонтажі. Метод використовує схил, щоб позначити точки на підлозі майстерні, і шнур, щоб з'єднати ці точки. Симетричні точки вибираються на нижній частині балок рами. Виска опускається від зовнішньої сторони симетричних точок, щоб зробити позначки крейдою на підлозі. Крапки з'єднуються. Усі діагоналі мають перетинати центральну лінію, якщо рама рівна. Допуск кожної перевірки залежить від розміру рами, але 6 мм зазвичай 6 мм відхилення вважається максимумом.
Як випрямити раму?
Більшість енергії під час аварії поглинається рамою.
Залежно від природи аварій можуть виникнути дефекти наступних видів:
- Зміщення у горизонтальній та/або вертикальній площині
- Скручування рами
- Викривлення рами
- Викривлення поперечок
Часто при аварії виникають кілька видів ушкоджень одночасно. Частина рами може зрушити як у бік, і одночасно вниз.
У разі незначного пошкодження раму можна виправити. Якщо пошкодження занадто серйозне, щоб його можна було усунути, вирізається пошкоджений метал і приварюється новий, з урахуванням розмірів відстаней між контрольними точками. Зварювальні з'єднання посилюються спеціальними накладками. Як правильно різати зварювати та посилювати раму ми розглянемо у цій статті нижче.
Пошкоджена рама може бути причиною нахилу кузова на один бік, підвищеного зношування елементів підвіски та покришок. Два найбільш часті пошкодження рами – скручування і згинання вниз (іноді одночасно в бік). Відмінність цих двох пошкоджень ледь помітна, але важлива з точки зору ремонту. На жаль, ремонт вигину як скручування чи навпаки може спричинити додаткові ушкодження, які буде складно чи неможливо усунути.
Скручування рами може статися, якщо автомобіль з розгону потрапив до траншеї. Один із головних симптомів скрученої рами – автомобіль нахиляється вниз з однієї із сторін. На фото нижче можна побачити сильне скручування рами, дивлячись із задньої частини автомобіля. Одна сторона рами зміщується вниз, а інша вгору. При такому пошкодженні автомобіль може поводитися нестабільно, особливо на поворотах та високій швидкості. Скручування рами зазвичай буває лише у її центральній секції. При цьому пошкодження може виявлятись по всьому кузову. Після ремонту краю рами стануть на місце, оскільки скручена центральна секція їх тримала у неправильному розташуванні. Якщо не правильно діагностувати скручування рами та правити її неправильно розташовані окремі частини, то можна лише посилити пошкодження.
На пікапі помітний нахил однієї частини кузова через зміну геометрії рами.
Інший вид деформації, коли одна з поздовжніх балок зміщена, це впливає і на центральну секцію. Рама набуває форми паралелограма. Таке пошкодження може впливати на підвіску і, під час руху, машина їхатиме під кутом (передня вісь може не на одній лінії із задньої).
Перекіс рами може змінити положення підвіски
Вимірювання “геометрії” рами повинні виявити ступінь її пошкодження. Після розуміння напрямку та ступеня зміщення елементів рами, рама закріплюється та застосовується спеціальне обладнання, що витягує, для повернення первісної форми. Використовуються гідравліка та ланцюги. Потрібно уникати концентрованого впливу в одну точку, підкладаючи дерев'яні блоки, щоб розподілити зусилля на велику площу.
Рама має так звану пам'ять. Метал прагнути повернутися у початкове становище. Важливо правильно «допомогти» йому прийняти оригінальну форму і положення за допомогою пристроїв, що витягують. Неправильні дії при ремонті стають причиною додаткової деформації рами та ускладнення ремонту.
Головне правило при витягуванні в кузовному ремонті, яке відноситься і до рами – витягувати в протилежному ударі напрямку та послідовності. Витягувати деформацію потрібно поступово, із проміжними вимірами відстаней між контрольними точками. Послідовність така: витягувати, утримувати у натягнутому стані та продовжувати витягування знову. Робіть перетяжку трохи далі за оригінальні параметри, так як метал трохи повертається назад після ослаблення зусилля, що витягує.
Якщо рама не піддавалася термічній обробці на заводі, то можна нагріти пошкоджений елемент для полегшення процесу виправлення. При використанні нагрівання метал повинен остигати природним шляхом.
Як правильно різати раму?
Не робіть зрізи і не зварюйте поперек навантаження
- Не робіть зрізів упоперек балок. Так, після зварювання не створюється зон з концентрацією напруги. Зріз можна робити під кутом 45 або 30 градусів або у вигляді «Z». Це дасть більше площ для зварювання. Так навантаження розподілятиметься на масштабніший шов.
- Потрібно заздалегідь відзначити лінії зрізу рами. Використовуйте широку малярну стрічку, щоб розмітити всі зрізи. Її можна наклеїти та креслити буде легше на ній.
- Уникайте різати раму на нерівних секціях, таких як вигини, арки, западини.
- Приваріть, зачистіть шов рівня поверхні і потім приваріть підсилювальну накладку.
Треснула рама
Завжди намагайтеся зрозуміти і визначити причину тріщини, що виникла.
Просвердліть отвір у кінці тріщини і розточіть тріщину у вигляді “V” на 2/3 глибини металу. Після проварювання та зачистки потрібно поверх приварити підсилювальну накладку.
Часта причина тріщин у рамі, особливо вантажівок – втома металу. Так відбувається через циклічні навантаження та розвантаження. Часто тріщини виникають у нижній частині балок, оскільки вона часто перебуває під найбільшою напругою.
Втома є поведінкою матеріалу, коли матеріал, що піддається циклічним навантаженням, може дати тріщину. Втома – це коли Ви щось згинаєте кілька разів, до моменту, коли матеріал зламається. Кожен матеріал має межу еластичності.
Тріщини можуть бути відремонтовані зварюванням, зачисткою до плоского стану та наступним приварюванням підсилювальної пластини (див. нижче).
Не приварюйте латку прямо на тріщину, не заваривши її за правилами.
Зварювання рами автомобіля
- Автомобіль містить багато електронних модулів та блоків управління. Вони чутливі до електричного втручання, яке може походити від зварювального апарату. Перед зварюванням зніміть мінусову клему з акумулятора. Паливні баки та трубки поблизу зварювальної зони повинні бути демонтовані. Трубки та електричні кабелі потрібно захистити від бризок та високої температури при зварюванні. З області зварювання фарбу слід попередньо видалити. Рама може мати заводське воскове покриття для захисту від корозії. Перед початком зварювання необхідно видалити віск у зоні ремонту. Прикріпіть зварювальну «масу» до рами, якомога ближче до місця зварювання.
- Не використовуйте ацетилен-кисневе (автогенне) зварювання при ремонті рами.
- Одне з головних правил при зварюванні рами – ніколи не варити поперек до навантаження. Вертикальні шви концентрують навантаження лише однієї секції зварювального шва. Коли рама гнеться, зварювальний шов може створити місце концентрації напруги, що призведе до появи тріщини. Вертикальні шви завжди будуть ламатися, тому що навантаження тягне поперек ширини шва замість того, щоб розсіювати вздовж довжини.
- Для кращого проникнення зварювані частини рами повинні бути приготовлені подвійною літерою «V» на обох сторонах. На рамі з подвійним шаром зварювальне проникнення має бути як одиночна V для кожного шару. Краще не вирізати, а виточити V-подібну канавку. Залежно від доступу, при зварюванні, на звороті можна прикладати охолоджувальну підкладку (з міді). V‑подібна канавка з протилежним ремонтом сторони має бути достатньо глибокою, щоб дійти до металу, який утворився від зварювання з іншого боку.
- Після завершення зварювання весь зайвий метал шва повинен бути відшліфований до плоского стану.
- Якщо нова секція приварюється до рами, потрібно перевірити відстань між контрольними точками.
- При зварюванні двошарової рами, під час з'єднання рамних балок, обидва шари (внутрішній та зовнішній) повинні бути зварені в різних місцях, з мінімальною відстанню швів 30 см.
- Підкладка приварюється при ремонті тріщини або при з'єднанні двох частин рами, додатково до основного зварювального шва (див. «посилення рами» нижче).
Зварювання рами з високоміцної сталі
- Сучасні автомобілі можуть мати раму із високоміцної сталі (high tensile steel).
- Високоміцна сталь має збільшену міцність, яка досягається під час теплового загартування.
- Більшість таких рам вимагають деякого попереднього нагріву перед зварюванням, оскільки мають тенденцію бути більш чутливою до розтріскування, ніж м'яка (маловуглецева) сталь. Метал повинен бути рівномірно нагрітий по всій товщині на 8-10 см в обидва боки ремонту до 100 градусів за Цельсієм. Це важливо, тому що зварювання на холодній частині високоміцної сталі стане причиною занадто швидкого нагрівання та занадто швидкого остигання. Це швидке охолодження є головною причиною появи тріщин. Попереднє нагрівання також допомагає скоротити рівень водню та мінімізує водневу крихкість. Правильна температура попереднього нагріву визначається конкретною маркою сталі та її товщиною. Також зварювальник повинен підтримувати правильну температуру між інтервалами зварювання. Температуру можна відстежувати, використовуючи спеціальний термоолівець або контактний пірометр, в ідеалі на звороті з'єднання, на 10 см від зони ремонту.
- Варіть міцну сталь без поперечних коливань пальника. Це обмежить нагрівання металу та не послабить його. Не варіть на протягу і за низької температури, інакше розплавлений метал охолоджуватиметься дуже швидко, викликаючи появу тріщин відразу після зварювання або через кілька днів.
- Як і в будь-якому зварювальному процесі, контроль швидкості руху та дотримання рекомендованих налаштувань зварювального апарату мінімізує теплове навантаження під час зварювання високоміцної сталі.
Посилення рами
Після зварювання шов на рамі необхідно посилити.
Є два типи посилень – вставка профільного підсилювача всередину (або зовні) або накладка, що зміцнює. Кожен тип підсилювача пропонує різну міру міцності. Вибір методу посилення повинен здійснюватися з того, що найкраще підходить для конкретної рами та розташування місця ремонту.
Усі підсилювачі повинні бути зроблені з одного і того ж металу, тієї ж товщини, що й рама. Якщо рама із високоміцної сталі, то й підсилювач має бути із високоміцної сталі.
Заводська підсилювальна накладка
Підсилювальні накладки використовуються на рамах найчастіше. Вони розподіляють напругу (від навантаження) на велику площу. Немає сенсу використовувати накладку з більш товстого металу, тому що вона не гнутиметься так само, як решта рами, через що може з'явитися тріщина.
На підсилювальних накладках та профільних підсилювачах не повинно бути сторін, що проходять поперек балок рами. При приварюванні підсилювача шви повинні проходити навскіс і вздовж балок рами.
При виготовленні підсилювальних накладок, краще зробити їхню форму ближче до овальної або зі скошеними закругленими кутами. Така форма дозволить мінімізувати появу зон концентрації напруги у швах, через які виникають тріщини. Якщо підсилювальна накладка буде мати скошені кути, то не потрібно приварювати її бічні кінці повністю, так як ці місця найбільш схильні до концентрації напруги. Краще продовжити шов у поздовжньому напрямку від кінця приєднання приблизно на 5 см до того, як зупинити шов (див. фото). Це запобігатиме появі тріщин у цих місцях. Щоб під накладку в цей проміжок не потрапляла вода, потрібно його замазати шовним герметиком.
Приклад підсилювальних накладок, приварених на зону зварювального шва.
Просвердлювання отворів у накладках дозволяє отримати додаткову поверхню для зварювання. Можна просвердлити один великий отвір посередині.
Хороше правило для розміру підсилювальної накладки – довжина = 2 висоти рами.
Профільні підсилювачі рами. Розріз посередині малюнку зроблено для візуалізації структури конструкції.
Базові типи профільних підсилювачів:
- Підсилювач у вигляді L повинен бути використаний в місцях з максимальним навантаженням, в нижній частині балки рами, де вигин верхньої частини рами не проблема. Вони можуть бути поміщені всередину або зовні поздовжньої балки рами. Це досить універсальний підсилювач. Однак установка такого підсилювача може бути обмежена конфігурацією рами.
- Підсилювач у вигляді перевернутої L також може бути використаний всередині або зовні балки рами. Його монтаж рекомендується там, де максимальне навантаження передається на верхню частину балки рами (наприклад, у самоскида в піднятому стані). Цей тип посилення можна встановлювати в місцях, де заборонено використовувати попередній підсилювач у вигляді L, де верхній фланець піддається прогину.
Кожен край профільного підсилювача має бути скошений на кут 45 градусів, щоб розподілити концентровану напругу.
Профільні підсилювачі можуть використовуватися на повну довжину або локально і можуть встановлюватися всередині або зовні балок рами. Два головних недоліки таких підсилювачів – додаткова вага та додатковий час для встановлення. Також може бути складним помістити такі підсилювачі всередині або поверх існуючої балки через виробничі допуски через поперечки або кронштейни на рамі.
