Шасси автомобиля, с точки зрения конструктивного смысла, представлялось несущей конструкцией транспортного средства. Назначение конструкции - поддерживать все механические компоненты и кузов. Кузов фактически являлся балластом без какой-либо конкретной конструктивной функции. Кроме того, для шасси ставилась задача обеспечивать простую организацию процесса сборки. То есть имело место монтажное приспособление под все механические компоненты.
Автомобильные шасси по технологии велосипедов
Большая часть первых автомобильных шасси основывалась на существующей технологии, разработанной для велосипедов. Такой тип рамы выполнялся из кусков бесшовных стальных труб, которые вырезались и сгибались до получения окончательной формы. Различные части соединялись железными обручами, слоями припоя, после чего помещались в печь. Таким образом – первые автомобильные шасси фактически «спекали» как пирог.
Однако наряду с первой технологией, успешно использовали вторую - совершенно другого плана, получившую распространение после 1907 года. В частности, предлагалось шасси, выполненное из цельных деревянных балок с железными усилениями. При этом кузов автомобиля покрывался изогнутыми стальными панелями. Скорее всего, такой подход был связан с предыдущим опытом производителя - создание деревянных шасси для конных экипажей. Применить для экстерьера стальные панели здесь оказалось проще, так как отпадала надобность в деревянных каркасах.
Между тем, существовала в те времена и третья технология. Третье решение заключалось в применении деревянных балок, покрытых и укреплённых с помощью гвоздей тонким слоем стального листа. Как только вес механических компонентов увеличился для применения первых четырехцилиндровых двигателей, были разработаны так называемые конструкции перекрёстных связей (картинка выше - пример шасси начала ХХ века).
Тонкости изготовления съёмных шасси машин
Шасси здесь состояло из двух продольных балок, изготовленных из штампованной стали «С»-образного сечения. Расстояние между двумя продольными балками передней части было меньше, чем задней части. Такое решение способствовало облегчению управления и обеспечивало более удобное взаимодействие с кузовом. Вариации по ширине получались либо за счёт изгиба продольных балок, либо за счёт применения балок по трапециевидной схеме.
Передний и задний концы продольных балок сгибались в вертикальном направлении, чтобы оставить зазор для движения подвески, и дополнительно сужались, чтобы воспользоваться преимуществом уменьшения изгибающего момента с точки зрения снижения веса. Две продольные балки соединялись болтами с рядом поперечных балок, образующих решетчатую конструкцию. Поперечные балки тоже сгибали, чтобы освободить место для двигателя и коробки передач.
Поперечные балки обычно располагались там, где прикладывались наиболее важные нагрузки:
- двигатель,
- коробка передач,
- подвеска.
Кузова автомобилей на шасси такого рода, по форме и технологиям очень сильно напоминали кузова конных экипажей. Используемых тогда (в 1920-х) форм кузова предлагалось в достаточном количестве. Причём названия таких конструкций всё чаще напоминали названия конных экипажей.
Первые автомобили, как правило, делались открытыми:
- фаэтоны,
- пауки,
- торпеды.
Только в 1899 году инженеры «Рено» представили идею крытого автомобиля, конструктивно представляющего седан с водительским сиденьем внутри. В 1920 г. закрытые кузова составляли уже 20% рынка. В дальнейшем процент закрытого исполнения поднялся до уровня 80%. Доминирующее положение таких конструкций сохраняется до сего дня.
Технологии изготовления кузова первых автомобилей
Технология изготовления кузовов, использовавшаяся на первых автомобилях, оставалась такой же, как и в кузовостроении. Сложный каркас выполнялся из профилированных балок, вырезанных из досок цельного дерева, собранных с помощью врезных и шиповых соединений. На картинке ниже кузов перед сборкой наружных панелей. Эти панели традиционно выполнялись из тонкой фанеры с ярко выраженной кривизной.
Кривизну панелей получали путём сгибания (непосредственно на месте сборки) после обработки струей пара. С помощью клея и гвоздей панелям придавали окончательную форму. Эта технология производства позволяла строить жёсткие и легкие конструкции изогнутой формы, соответствующие современным эстетическим правилам. Деревянный скелет имел не только структурную функцию, но и функцию моделирования кожи до окончательной формы этого материала.
Такой тип кузовного сложения получил название «Bateau» (Бато), взятое из французского языка. Каждая часть кузова адаптировалась к соседним элементам. Швы скрывались штукатуркой и лаком или профилями, в зависимости от стиля изготовления.
Деревянные балки каркаса располагались под обшивкой в местах значительных изменений кривизны и по схеме ребер и шпангоутов, например, в районе кровли. Рёбра и шпангоуты применялись под участками большей кривизны:
- крыша,
- задняя крышка,
- переходная поверхность между бортами кузова и капотом.
Покрытие крыши часто делалось на основе листа пегамоида.
Жёсткость на кручение перекрёстного шасси оставалась довольно низкой, примерно определяемой суммой жёсткости на кручение каждой из двух продольных балок, учитывая ограниченный вклад поперечных балок. Жёсткость на кручение каждой продольной балки сама по себе была низкой по причине открытого поперечного сечения. Напротив, жёсткость на кручение нового деревянного корпуса оставалась значительно выше, учитывая тип соединений, используемых в столярных работах, таких как соединения типа «ласточкин хвост» или врезные и шиповые соединения.
Как избавлялись от звука скрипов и дребезга кузова?
Значительные деформации гибкого шасси вызвали преждевременные трещины и разрывы в соединениях кузова из-за большей жёсткости последнего. По сути, кузов и шасси представляют собой две параллельно поставленные гибкие конструкции, подвергающиеся одинаковым смещениям в соединениях.
Чем жёстче элемент, соединённый с суставами, тем больше напряжение. Деревянные соединения не выдерживали очень больших нагрузок и давали увеличение зазоров. Появлялся звук скрипа и дребезжания. Кроме того, пассажиры автомобиля, припаркованного на неровной дороге, зачастую не могли открыть двери.
Соответственно, повышение жёсткости шасси на кручение стало важным вопросом по причинам негативного воздействия на кузов. Проблема стала более актуальной с увеличением скорости последующих автомобилей. Решения этой проблемы следовали двум противоположным стратегиям:
1. Увеличить жёсткость кузова.
2. Снизить деформацию кузова.
На картинке ниже (1), в частности, показано поперечное сечение кузова, спроектированного по первой стратегии. Внизу деревянного кузова находилась тяжёлая вспомогательная стальная рама. Рама имела Г-образное сечение и соединялась с деревянным каркасом. Вертикальное крыло Г-образного сечения крепилось болтами к стойкам каркаса, а горизонтальное крыло сопрягалось с шасси и опиралось на деревянные доски пола. Деревянные стойки каркаса кузова доходили до стальной подножки, закрывавшей борта шасси.
Корпус получился жёстче, чем исходная деревянная конструкция, но соединения с шасси делались гибкими с промежуточными слоями резины или волокон. При такой конструкции деформация гибкого шасси допускалась суставами без особого участия кузова. Альтернативную стратегию чуть позже позаимствовали у производителей самолётов. Так появилась концепция автомобильной конструкции кузова 1920-х годов, основанная на концепции изготовления крыльев и фюзеляжей.
Каркас кузова, показанный на картинке выше (2), оставался ещё деревянным, с балками, поставленными по венцам формы корпуса (по схеме с рёбрами и шпангоутами). Стальные соединительные элементы между балками преднамеренно выполнялись гибкими, а деревянные балки монтировались со значительными зазорами. При такой архитектуре опасность контакта между деревянными частями отсутствовала, то есть скрипов и дребезжаний не ощущалось. Обшивка корпуса делалась как в самолётах, слоем ткани, покрытой водостойким лаком, и напоминала вид кожи (пегамоидная или кожзам).