Cap.3 Soluii constructive de caroserii de autovehicule 3.1 Soluii constructive moderne de caroserii de autoturisme 3.1.1 Soluia constructiv de principiu Autoturismele sunt autovehicule care au ca destinaie transportul unui

numr redus de persoane n condiii optime de securitate, ergonomie, confort i economicitate. Caroseria de autoturism trebuie s asigure spaiul necesar pentru postul de conducere i pentru pasagerii transportai, spaiul necesar transportului de bagaje i spaiul necesar amplasrii i atarii tuturor subansamblurilor autoturismului.

De-a lungul istoriei automobilului, la proiectarea corpului caroseriei au fost aplicate diferite principii. O dat ce era stabilit un concept de baz, pornind de la acesta, de-a lungul anilor, erau dezvoltate multe modele i variante diferite de structuri de caroserie. Conceptul original era inlocuit gradual, model cu model, atunci cnd era stabilit un concept de baz mai evoluat sau mai ieftin.

Soluia constructiv de principiu a caroseriei de autoturism este realizat dintr-o baz portant i o suprastructur format din habitaclu (compartimentul pasagerilor), consola fa i consola spate (fig.1).

Fig.1 Conceptul de baz de utilizat la construcia caroseriei de

autoturism Dup cum s-a artat n 2.1 primele caroserii de autoturisme aveau o

construcie format dintr-o suprastructur care era ataat bazei portante. n prezent, aproape la toate autoturismele actuale baza portant i suprastructura sunt mbinate ntr-un corp unitar, formnd aa numitele caroserii autoportante. Aceste structuri foarte complexe sunt realizate dintr-o

combinaie de componente ambutisate asamblate ntre ele prin puncte sau cordoane de sudur. Arhitectura construciei, configuraia i dimensiunile elementelor componente sunt foarte importante pentru asigurarea unei rigiditi dorite pentru caroserie.

Compartimentul pasagerilor trebuie proiectat ca o structura rigid, greu deformabil, n schimb, consolele fa i spate trebuie proiectate ca zone deformabile, de impact, impunndu-se ca prin deformarea acestora sa se consume o mare parte din energia de impact.

3.1.2 Baza portant Baza portant este structura pe care sunt aezate principalele

subansambluri i anexe ale acestora (ex: grupul motor, radiator, rezervor de combustibil, galerie de evacuare etc.), sunt prinse punile fa i spate prin intermediul sistemului de suspensie i sunt rezemate suprastructura caroseriei.

Dup cum s-a artat n paragraful anterior, baza portant poate forma un corp separat de structur sau poate forma mpreun cu suprastructura, un corp unitar, n cazul caroseriilor autoportante.

Din punct de vedere constructiv, baza portant este format dintr-un ansamblu de grinzi dispuse longitudinal (lonjeroane), grinzi dispuse transversal (traverse) i elemente de tip plac. Structura bazei portante trebuie s asigure rigiditatea torsional i de ncovoiere a corpului caroseriei.

Baza portant tip cadru-asiu. n cazul n care baza portant este corp

separat de structur, aceasta este de tip cadru-asiu (sau structur tip scar), format din dou lonjeroane conectate prin mai multe traverse (fig.2).

Fig.2 Baz portant tip cadru-asiu

Cadrul are rolul de a suporta greutatea corpului caroseriei i s absoarb

toate solicitrile provenite de la calea de rulare, sistemul de suspensie, grupul motor i sistemul de direcie. n unele cazuri, acesta are rol i n protejarea pasagerilor i a mrfii transportate.

Corpul caroseriei, n general, este asamblat demontabil n cteva puncte pe cadru, pentru a permite ncovoierea acestuia i pentru a distribuii sarcinile de ncrcare de-a lungul lonjeroanelor. Asamblarea se face cu ajutorul unor elemente din cauciuc pentru reducerea transmisibilitii vibraiilor.

La aceast soluie constructiv, structura corpului caroseriei trebuie s fie suficient de rezistent i rigid pentru a suporta greutatea pasagerilor i a mrfii, sarcinile dinamice asociate manevrrii mrfii, i ocurile i vibraiile transmise de la cadru. n unele cazuri, structura corpului caroseriei poate prelua o parte din ncrcrile torsionale care nu sunt absorbite de cadru. La autoturisme, cadrul asiu asigur aproximativ 35% din rigiditatea total torsional i de ncovoiere.

Lonjeroanele structurii nu sunt drepte, distana dintre ele fiind mai mare n zona habitaclului i mai mic n zona punilor pentru a oferi posibilitatea amplasrii sistemului de suspensie i a roilor. Pentru coborrea centrului de greutate lonjeroanele sunt mai coborte n zona habitaclului.

Fig.3 Elementele bazei portante tip cadru-asiu (SUV)

Elementele componente ale acestei structuri sunt urmtoarele (fig 3): - Lonjeroanele constituie partea cea mai grea a structurii. Lonjeroanele

nu sunt drepte, forma lor este aleas astfel nct s asigure o aezare ct mai bun a corpului caroseriei. Distana dintre ele fiind mai mare n zona habitaclului i mai mic n zona punilor pentru a oferi posibilitatea amplasrii sistemului de suspensie i a permite bracarea roilor. La multe soluii constructive, lonjeroanele sunt mai apropiate doar n zona punii fa. Pentru coborrea centrului de greutate lonjeroanele sunt mai coborte n zona habitaclului.

- Traversele sunt asamblate rigid ntre lonjeroane. Jonciunile dintre acestea sunt foarte importante pentru a preveni torsionarea cadrului. Numrul, mrimea i poziionarea traverselor sunt stabilite n funcie de tipul autovehiculului pentru care este proiectat cadrul. Traversele pot fi folosite la rezemarea radiatorului, grupului motor, rezervorului, sau a altor subansambluri.

- Guseurile sunt plci metalice adiionale de ranforsare care sunt folosite la multe soluii constructive la realizarea jonciunilor dintre lonjeroane i traverse.

- Cadrul-asiu trebuie s ofere suporii pe care se articuleaz braele punilor i elementele de suspensie, suporii pe care se aeaz grupul motor i se prind anexe precum rezervorul de combustibil i galeria de evacuare dar i suporii pe care se aeaz suprastructura (fig.4).

Fig.4 Subansamblurile rezemate pe baz portant tip cadru-asiu

Acest tip de baz portant este folosit la caroseriile de autoturisme SUV

i autoutilitare pick-up dar poate fi gsit i la unele autoturisme (fig.5), ea poate asigura caroseriei o foarte bun rigiditate dar determin o poziie ridicat a centrului de greutate a autovehiculului.

Fig.5 Baz portant tip cadru-asiu (autoturism) La caroseriile autoportante, deoarece baza portant formeaz un corp

unitar mpreun cu suprastructura, forma bazei portante are o mai strns legatur cu forma pe care trebuie sa o aibe suprastructura, avnd n vedere faptul c aceasta trebuie s fie conectat direct pe lonjeroanele i traversele bazei portante neexistnd ali supori intermediari.

Soluia constructiv de principiu (fig.6) poate fii considerat ca fiind

format din trei cadre dispuse sub cele trei pri constructive ale suprastructurii (consola fa, consola spate i habitaclu). Pe lonjeroanele consolelor fa i spate sunt poziionai suporii pentru articularea punilor i suspensiei i sunt conectate elementele de suprastructur a acestor console.

Cadrul situat situatat sub habitaclu este amplasat mai jos dect cadrele consolelor pentru a cobor centrul de greutate a autovehiculului. De lonjeroanele acestui cadrului sunt conectai stlpii pereilor laterali. Deoarece aceste lonjeroane sunt poziionate pe sub uile autovehiculului ele poart denumirea de praguri.

Fig.6 Soluia constructiv de principiu a bazelor portante de caroserie autoportant

Pornind de la aceast soluie constructiv de principiu sunt realizate

multe variante de baze portante. n continuare vor fi prezentate doar cteva dintre soluiile constructive mai des ntlnite la caroseriile de autoturisme.

Baza portant cu cadru asiu integral are lonjeroanele celor dou

console unite ntr-un cadru integral cu lungime aproximativ egal cu lungimea autoturismului. Cadrul central este realizat din dou grinzi de prag legate ntre ele i cu cadrul integral prin mai multe traverse (fig.7).

Fig.7 Baz portant cu cadru integral

Aceast soluie constructiv a fost utilizat la unele din primele caroserii autoportante fiind o soluie de trecere de la caroseriile cu cadru asiu separat la caroseriile autoportante in care cadrul asiu este nglobat n structur. Podeaua habitaclului poate avea tunel central prin care trece transmisia sau galeria de evacuare. Acest tip de baz portant asigur corpului de caroserie o rigiditate ridicat dar determin o greutate mai mare. n prezent structura este utilizat la unele autoturisme tip SUV si pick-up cu caroserie autoportant.

Baza portant cu cadru central i semilonjeroane fa i spate este

soluia cea mai apropiat de soluia de principiu (fig.8). Aceast soluie este dezvoltat din soluia anterioar prin renunarea la elementele de lonjeron ale cadrului integral n zona podelei habitaclului.

Fig.8 Baz portant cu cadru central i semilonjeroane fa i spate Structura obinut este mai puin rigid dar poate asigura o comportare

bun la coliziune frontal. Modul n care sunt dispuse traversele pe podeaua habitaclului, precum i numrul acestora, contribuie la mbuntirea comportrii la impactul lateral. Semilonjeroanele spate pot fi legate direct de praguri (fig.9).

Fig.9 Baz Semilonjeroane spate legate direct de praguri

Baza portant cu cadru central, semilonjeroane fa i spate i tunel central este una din cele mai folosite soluii constructive (fig.10). Utilizarea

unui tunelul central dispus de-a lungul podelei habitaclului este necesar n cazul soluiilor de organizare clasice 4x2 sau 4x4, pentru dispunerea transmisiei spre puntea din spate. Aceast soluie constructiv este folosit i la multe autoturisme organizate totul fa, tunelul central fiind folosit la amplasarea galeriei de evacuare sau n cazul n care caroseria va fi dotat cu o transmisie 4x4. Tunelul ncepe de la peretele fa a habitaclului si sw termin n grinda de sub bancheta din spate, zon n care podeaua habitaclului se ridic la nivelul podelei portbagajului.

Tunelul central fiind ca o grind longitudinal de profil U dispus de-a lungul podelei habitaclului contribuie la cresterea rigiditii plcii podea. Tunelul poate fi conectat cu pragurile prin mai multe traverse care pot avea legturi ntre ele pe deasupra sau in unele cazuri pe sub tunel, sub forma unor traverse de legtur.

Fig.10 Baz portant cu cadru central, semilonjeroane fa i spate i tunel central

Pentru o distribuire mai eficient a sarcinilor n cazul impactului frontal

semilonjeroanele consolei fa se bifurc (fig.11), conectnduse cu pragul,

cu primul stlp al peretelui lateral (stlpul A), cu tunelul central, ct i cu podeaua habitaclului, printr-un lonjeron care ajunge la prima travers a podelei (eventual n diagonal) sau chiar pna la ultima travers.

Semilonjeroanele consolei spate pot fi conectate direct de praguri.

Fig.11 Exemplu de baz portant cu cadru central, semilonjeroane fa i

spate i tunel central Baza portant cu cadru central i semilonjeroane fa este specific unor

caroserii cu consola spate scurt, la care se poate renun la lonjeroanele spate, compartimentul portbagaj fiind foarte scurt i realizat ca o cutie (fig.12). Acest tip de baz portant este folosit la unele caroserii de autoturisme mici, de ora, cu corpul caroseriei n dou volume.

Fig.12 Baza portant cu cadru central i semilonjeroane fa

Exist nc multe alte variante constructive de baze portante. Multe

dintre ele sunt combinaii ale soluiilor prezentate. De exemplu, tunelul central poate fi folosit la oricare din soluiile de baz portant, dac se consider c este util n organizarea autovehiculului.

Bineneles, structura bazei portante a caroseriei trebuie s fie conceput pornind de la soluia de organizare de ansamblu adoptat. Poziionarea lonjeroanelor i traverselor este dependent de modul n care se dorete amplasarea i prinderea principalelor subansambluri, amplasarea locurilor pentru pasageri i aezarea bagajelor sau sarcinii utile, dar i de modul n care se dorete a se comporta caroseria n situaia unui impact frontal sau lateral.

Baza portant are un rol nsemnat n mrirea rigiditii ntregului corp de caroserie. Alegerea unei soluii constructive de baz portant ct mai eficient poate determina scderea greutii caroseriei prin posibilitatea de a reduce grosimea elementelor utilizate la construcia suprastructurii.

3.1.3 Compartimentul pasagerilor (habitaclul) Compartimentul pasagerilor este spaiul special destinat pentru

transportul pasagerilor. Acesta, pe lng condiii de confort bune, trebuie s asigure o securitate ct mai bun conductorului auto i pasagerilor. Deformarea acestuia n caz de impact sau rsturnare trebuie s fie ct mai redus, impunnduse n situaia accidentelor standard ca deformarea

structurii s asigure un spaiu minim de supravieuire. Compartimentul pasagerilor este alctuit din urmtoarele pri componenete:

- Podeaua; - Pereii laterali; - Acoperiul; - Peretele fa; - Peretele spate. Podeaua habitaclului (fig.13) este parte component a bazei portante, n

cazul caroseriilor autoportante. Dup cum s-a artat, majoritatea caroseriilor de autoturism au n zona central a podelei habitaclului, un tunel prin care este trecut transmisia sau galeria de evacuare. Tunelul ncepe din peretele fa a habitaclului i se termin n zona n care podeaua habitaclului se ridic spre podeaua portbagajului, n dreptul banchetei din spate. Tunelul este conectat cu pragurile prin traverse care au rolul de a rigidiza structura podelei, de a permite asamblarea scaunelor (fig.14) i de a mbuntii comportarea structurii la impactul lateral.

Fig.13 Podeaua habitaclului

Fig.14 Suport scaun

Pentru o rigidizare mai bun traversele pot traversa si tunelul pe deasupra sau n unele cazuri i pe sub tunel prin traverse de legtur (fig.15).

Fig.15 Traverse de legtur

Pentru a obine o rigidizare i o comportare mai bun la impact frontal a

zonei n care se gsesc picioarele conductorului auto i pasagerului din fa, se poate dubla podeaua cu un panou suplimentar, n zona panoului pedalier (fig.16).

Fig.16. Dublarea panoului habitaclului n partea din fa

Pragurile sun grinzile longitudinale care sunt amplasate n prile laterale

ale podelei habitaclului, pe sub ui. Ele sunt realizate, n general, din dou panouri (interior i exterior) ambutisate. Panoul interior este mai drept, pe acest perete conectndu-se traversele podelei i panoul podea, iar panoul exterior este profilat, el fiind cel care d forma exterioar a pragului i asigur o mbinare corect a uii cu pragul (fig.17). Marginea uii trebuie s se suprapun peste praguri i stlpi pentru a asigura o protecie maxim la impactul lateral, fr ca ua s ptrund n habitaclu.

Fig.17 Pragul (seciune)

Bordura pe care se face asamblarea celor dou panouri servete n partea

superioar la fixarea garniturii de etanarea a uii.

Utilizarea unor ranforsri suplimentare longitudinale duce la o cretere a rigiditii torsionale i de ncovoiere a grinzii de prag i, implicit, a ntregi caroserii.

Pe toat suprafaa podelei se ntinde panoul podea. Acesta nu este perfect plan, fiind nervurat, pentru a mbuntii comportarea vibratorie a podelei.

Lonjeroanele consolei fa sunt conectate la panoul podea, modul n care se face acest conectare se va arta la prezentarea structurii consolei fa.

Pereii laterali sunt formai din stlpii laterali A, B, C, ai structurii

(fig.18). La autoturisme break este prevzut i al patrulea stlp D. Aceti stlpi sunt conectai n partea de jos cu pragul, iar n partea de sus cu centura acoperiului, cu raze de racordare mari, pentru o mai bun rezisten a jonciunilor.

Fig.18 Peretele lateral

Profilurile acestor stlpi sunt formate din combinarea a dou panouri

(interior i exterior) care formeaz peretele lateral al caroseriei. Panourile poate fi realizate din mai multe parti sau unitar. (fig.19).

Peretele spate conine i rama lateral a acoperiului, pragul i panoul lateral al consolei spate. Panourile exterioare i interioare ale peretelui lateral pot fi realizate folosind tehnologia tailored blanks, din mai multe fii croite din tabl, sudate laser i apoi ambutisate, obinnd ntreg panoul sau prile componente ale panoului [10].

Fig.19 Exemplu de panou realizat prin tehnologia tailored blanks sau

din mai multe pri (dreapta jos)

Forma seciunii acestor stlpi (fig. 20 i 21) poate fi destul de complicat deoarece acetia trebuie realizeze conturul corect de nchidere a uilor, s permit montarea articulaiilor uilor, amplasarea mecanismelor de nchidere i zvorre a uilor, prinderea aripii fa, a parbrizului, a centurilor de siguran i a garniturilor de etanare.

Fig.20 Exemplu de seciune n partea superioar a stlpului A

Fig.21 Exemplu de seciune a stlpului B

Ranforsri suplimentare ale stlpilor trebuiesc fcute i n zona n care sunt prinse articulaiile uilor.

Muli constructori de caroserii amplaseaz ranforsri transversale, interioare, ntre panourile care formeaz stlpii. Aceste ranforsri rigidizeaz structura, reduc deformaiile diagonale ale cadrelor i pot avea influene favorabile asupra acusticii [7]. Astfel de ranforsri se folosesc i n alte grinzi, de exemplu, n traversa de sub parbriz.

La multe caroserii, stlpii pot avea ranforsri suplimentare pentru a mri

rigiditatea caroseriei. De exemplu, pentru a mbuntii comportarea la rsturnare a caroseriilor de tip converibil (cabriolet) n stlpul A se introduce o ranforsare sub forma unei bare tubulare de nalt rezisten (fig.22).

Fig.22 Ranforsare a stlpului A la caroserii de tip cabriolet (de fcut

figura!!) Pentru a mbuntii comportarea stlpului B la impactul lateral, se pot

utiliza ranforsri tot de forma unor bare profilate de mare rezisten, care sunt intoduse n anumite zone din interiorul stlpului, (fig.23).

Sau

Fig.23 Ranforsare a stlpului B

Acoperiul mpreun cu structura stlpilor pereilor laterali au o mare influen asupra comportrii caroseriei n situaia rsturnrii.

nclinarea din motive aerodinamice a parbrizului, pereilor laterali i ai lunetei face ca acoperiul autoturismelor moderne s fie mult mai redus ca suprafa comparativ cu modelele mai vechi de autoturismele i, n consecin, mult mai rigid. Forma exterioar a acoperiului trebuie s fie uor convex pentru a suprima de a vibra i a genera zgomote.

Structurile moderne de caroserie au rama lateral a acoperiului realizat n prelungirea stlpului A, n unele cazuri terminndu-se cu stlpul C sau D (fig.24), ceilali stlpi fiind ancorai de aceast ram cu raze de racordare mari.

Fig.24 Rama lateral a acoperiului

Ramele laterale ale acoperiului sunt legate ntre ele prin cel puin dou traverse, una n partea superioar a parbrizului i una n partea din spate, deasupra lunetei la caroserii berline, sau folosit la prinderea articulaiilor hayonului (fig.25).

Fig.25 Traversele acoperiului

Dispunerea unor traverse suplimentare n dreptul stlpilor B i C sau pe diagonala cadrului acoperiului pot duce la o rigidizare suplimentar a structurii i o mbuntire a comportrii la impact lateral sau rsturnare (fig.26). Pot fi utilizate i traverse suplimentare care au rol doar pentru prinderea capitonajului sau pentru limitarea vibraiior panoului acoperi, care este sudat sau lipit pe structura cadrului acoperiului, din tabl de oel, aliaj de aluminiu sau din materiale plastice.

Fig.26 Soluii constructive privind dispunerea traverselor acoperiului

n figura 27 este prezentat o structur de caroserie la care panoul

acoperiului poate fi realizat din sticl sau material plastic transparent (eventual demontabil), pentru a mrii vizibilitatea pasagerilor din spate, iar parbrizul este panoramic, prima travers fiind amplasat spre centrul acoperiului.

Fig.27 Soluii constructive cu acoperi panoramic

Forma unor seciuni ale traverselor acoperiului se pot vedea n figura 28.

Fig.28 Seciuni ale traverselor acoperiului (a. traversa superioar a

parbrizului; b. Traversa n dreptul stlpului B; traversa spate pe care se gsesc articulaiile hayonului)

Peretele fa al habitaclului este un perete despritor ntre compartimentul motor (la autoturismele cu grupul motor n fa) i habitaclu avnd n primul rnd rol de scut termic (fig.29). El este prevzut cu multe orificii de trecere pentru cabluri electrice, cabluri de acceleraie i ambreiaj, pompa central de frn, coloan de direcie, galerie de ventilare etc. n partea de sus peretele este vertical, iar n partea de jos este uor nclinat, pentru a oferii o poziie comod de repaus a tlpilor.

Cu toate c n caz de impact peretele nu poate absorbi o mare parte din energia de impact, el are rol i n protecia pasagerilor n zona picioarelor, fiind foarte important modul n care se conecteaz n partea de jos cu structura bazei portante (lonjeroane fa tunel central i podea), iar n prile laterale cu carcasele roilor consolei fa i cu stlpii A.

Fig.29 Peretele fa al habitaclului

n partea superioar, o mare stabilitate a structurii este asigurat de o travers (n general, de mare volum) care susine parbrizul i panoul de bord i, n unele cazuri, elemente ale sistemului de climatizare i de tergere a parbrizului.

Pe peretele fa poate exista o travers care unete lonjeroanele principale ale consolei fa pe deasupra nceputului tunelului central. Unii productori mai integreaz n structur o travers suplimentar de siguran, ntre cei doi stlpi, pe sub panoul de bord (eventual conectat printr-un panou i n zona central), cu rolul de a mbuntii comportarea caroseriei la impactul lateral (fig.30).

Fig.30 Traversa suplimentar a peretelui fa a habitaclului

Conectarea peretelui fa cu elementele structurale precizate anterior duce la obinerea unei structuri cu o foarte bun rigiditate torsional i de ncovoiere n zona frontal a habitaclului. Bineneles, caracteristicile de rezisten ale acestei zone pot fi modificate utiliznd diferite grosimi ale tablei, diferite caliti de material, i diferite profiluri ale elementelor componente.

Peretele spate, n cazul soluiei de organizare cu motorul n spate, poate

avea rolul de scut termic. Deoarece majoritatea autoturismelor moderne au motorul n fa, rolul acestui perete este diminuat, el fiind mai mult un perete despritor ntre compartimentul habitaclului i compartimentul portbagaj, care are i rol de rigidizare a corpului caroseriei. Pn acum civa ani, toate autoturismele aveau un astfel de perete, eventual decupat n zona central , decupaj fcut n ideea posibilitii de a transporta un bagaj mai lung, ca de exemplu, un sac cu schiuri (fig.31). Peretele fiind plan, pentru a limita tendina de vibraie, este necesar nervurarea acestuia pe toat suprafaa. La autoturisme cu caroserie de tip berlin sau coupeu, acest perete are i un panou orizonal, amplasat ntre o travers pe care se sprijin sptarul banchetei (care unete la unele caroserii suporii suspensiei pentru puntea spate) i traversa inferioar a lunetei (fig.32).

Fig.31 Peretele spate al habitaclului

n special la caroseriile de tip hatchback sau break, dar i la caroseriile

berlin, mbinarea compartimentului pentru pasageri cu compartimentul portbagaj, pentru mrirea volumului de bagaje care pot fi transportate prin rabaterea banchetei din spate, peretele spate a fost redus ca suprafa sau chiar eliminat. Acest lucru a fost posibil doar dac se asigurar structurii

nconjurtoare o rigiditate i o rezisten corespunztoare, care s suplineasc existena peretelui spate (fig.32).

a.

b.

Fig.32 Perete spate eliminat parial la o caroserie berlin (a) i total la o caroserie break (b)