Как сделать из машины кабриолет

10

Готовимся к лету: кабриолет из седана своими руками

Исторически так сложилось, что обладателями кабриолетов в большинстве своём были представители класса элиты, а сам автомобиль с откидным верхом отнесли к категории роскоши, поскольку цены на него значительно выше, чем на обычные автомобили. Однако это совершенно не значит, что если вы не являетесь наследственным потомком князя Монако, то дорога в мир элитных открытых автомобилей вам закрыта, поскольку вполне возможно сделать кабриолет своими руками. Всё зависит от ваших предпочтений, полёта творческой мысли и свободных средств. Поэтому, если вы всерьёз задумались о том, чтобы переделать автомобиль в кабриолет, то к летнему сезону нужно начинать готовиться как можно раньше — работы предстоит достаточно много. И сначала нужно определиться с ответами на ключевые вопросы о:

• Типе кузова.
• Объёме изменений и улучшений.
• Общей стоимости всех работ (в том числе с учётом покупки авто).
• Месте хранения.

Чтобы сделать кабриолет, следует учитывать множество характеристик вашего автомобиля

Чтобы лучше понимать, что же вам на самом деле нужно, обратимся к истории возникновения кабриолетов и их первым представителям.

Очерки истории

Упоминание о первых кабриолетах датируется началом XIX столетия, когда во Франции появилась лёгкая конная повозка со складной крышей, в которую запрягалась одна лошадь. Позже с ростом технического прогресса кабриолетами стали называть двухместные или более легковые автомобили с откидным верхом.

Кабриолет — это легковой автомобиль с откидным верхом

Современные кабриолеты оснащены, как правило, мягкой виниловой или полотняной, а также жёсткой складной крышей. В таких автомобилях четыре, чаще — две двери и выполнены они в большинстве своем на базе седанов или хэтчбеков.

Кроме указанных выше, существуют подобные типы кузовов, на базе которых делают кабриолеты:

Фаэтон — открытый кузов машины с открывающимся верхом из мягких материалов. В начале ХХ века основными производителями были Horch, Packard, Škoda.

Кабриолет в кузове Фаэтон

Кабриолет в кузове Тарга

Кабриолет в кузове Родстер

Кабриолет в кузове Спидстер

Вне зависимости от типа к безопасности таких автомобилей всегда предъявлялись повышенные требования ввиду их особенностей, поэтому производителям ничего не оставалось в машинах класса кабриолет, как сделать их на базе усиленного кузова с использованием в конструкции жёсткого заднего стекла или прочных стальных дуг. К этому моменту мы детально подойдём в описании действий по реконструкции автомобиля в кабриолет.

Что мы имеем

Хорошо, с типами существующих кабриолетов мы разобрались, но что же реально предлагает нам современный автомобильный рынок и какие модели наиболее подходят для их модернизации в кабриолет? Ответ на этот вопрос начнем с отечественного автопрома.

Отечественные производители

В случае с автомобилями советского и постсоветского производства возможно два сценария развития событий:

, ограниченное количество которых выпускалось в середине прошлого века, и сделать ему тюнинг, рестайлинг, кастом — всё, что вашей душе угодно. Практически все представители советского «кабрио» тех времён выпускались для участия в военных парадах или же, как личные автомобили великих вождей. Если вы найдете один из приведённых ниже сохранившихся экземпляров, считайте себя большим везунчиком:

Кабриолеты советского производства — настоящий раритет

1. Выбрать на рынке любой подходящий отечественный автомобиль в хорошем состоянии, изучить материал о том, как сделать кабриолет своими руками и приступать к детальной доработке. К наиболее популярным среди умельцев относятся:
   • УАЗ-3151 1995 г. в. — благодаря простоте снятия крыши. Достаточно всего нескольких ключей и 20 минут времени.
   • «ЗАЗ» второго поколения — старый добрый «Запорожец».
   • «Волга» — все доступные на рынке модели.
   • «ВАЗ» — Жигули большинства моделей.

Импортные авто

В выборе импортных автомобилей можно также либо остановиться на уже готовых вариантах, например, таких как Opel Ascona в кузове кабрио или Ford Escort Cabrio, либо заниматься авторской переделкой. Для этих целей наиболее подойдут такие модели:

• Opel (Monza, Manta, Ascona).
• Audi (Coupe, C2).

Одними из лучших претендентов являются седаны от Опель

Этот список можно продолжить, хотя представленные выше модели требуют меньше вложений в доработку и в варианте кабрио смотрятся гораздо эффектнее.

Наконец, мы подходим к самой сути вопроса: как сделать из машины кабриолет, а именно к пошаговой инструкции по модернизации авто.

План действий

Перед тем как сделать из седана кабриолет, вам необходимо учесть, что кабриолет — это не просто машина со свинченной (спиленной) крышей, а сложное конструктивное изменение кузова с повышенными требованиями к усилению последнего для обеспечения безопасности пассажиров и водителя. Особенно если речь идет о внесении изменений в заводскую конструкцию в частной мастерской. Итак, вам понадобится:

• Автомобиль, который вы будете превращать в кабриолет.
• Механическая мастерская или оборудованный гараж со всеми необходимыми инструментами.

Без мастерской или оборудованного гаража не обойтись

Теперь можно непосредственно заняться внесением изменений.

Усиливаем кузов

Помимо своей непосредственной функции в осуществлении защиты пассажиров от дождя и ветра, крыша также обеспечивает автомобилю необходимую жёсткость. А это значит, что просто спилив крышу, вы поставите под угрозу прочность автомобиля и свою безопасность. Поэтому вам просто необходимо выполнить следующие действия для усиления кузова вашего будущего кабриолета:

1. Сделать усиленную раму из двух мощных лонжеронов, приварив их параллельно друг другу к днищу машины. Альтернативой лонжеронам может служить соединение узлов крепления двигателя и пола автомобиля стальной трубой сечением минимум 20 мм, с толщиной стенки 3 мм. К тому же более толстыми трубами, с толщиной 4 мм, необходимо соединить пол с багажным отделением.
2. Укрепить раму лобового стекла.
3. Усилить и заварить задние двери, если вы переделываете в кабриолет четырёхдверный автомобиль.
4. Приварить к кузову жесткую перегородку, тем самым разделив багажное отделение и внутренний объём кузова.
5. Усилить пороги.
6. Дополнительно установить вертикальные трубки, идущие от границы, где кончается рама лобового стекла ко дну автомобиля.
7. Усилить передние двери прочным каркасом.
8. Установить прочную балку, огибающую сидения.

Такие изменения приведут к значительному увеличению веса автомобиля, так что не стоит надеяться на улучшение характеристик скорости и динамики. Особое внимание уделите качеству кузова: важно, чтобы в местах сварки на нем не было ржавчины.

Снимаем родную крышу

Крыша снимается только после усиления кузова

Только после того, как вы провели все необходимые действия по усилению кузова, демонтируется крыша. Возможен частичный демонтаж, при этом вы оставляете боковины. Лобовое стекло с рамкой также остается. Сзади за передними или за задними сидениями устанавливаются стальные дуги безопасности.

Устанавливаем механизм раскладывания тента

Такой функционал рассчитать достаточно сложно, но при должной сноровке все получится. Сначала рассчитываем шаблон, по которому изготавливаем дуги, после чего по лекалу шьём тент из кожи, винила, или двухслойного непромокаемого полотна.

Обновляем салон

После того как вы выставите напоказ салон автомобиля, он уже начинает играть роль вашей визитной карточки, неизменно притягивая внимание окружающих. Рекомендуется обтягивать салон высококачественной кожей или кожзаменителем ярких цветов, поскольку кроме эстетических свойств она должна обладать повышенной устойчивостью к выгоранию на солнце, а также быть невосприимчивой к воздействию ветра и дождя.

Салон обновлённого автомобиля должен выглядеть на все сто

Так, придерживаясь простых правил и при должном уровне настойчивости, вы сможете воплотить свою давнюю мечту в реальность. И для этого совсем необязательно выкладывать кругленькую сумму, ведь все что вам необходимо — это немного сбережений на подержанный, но хорошо сохранившийся автомобиль, минимальный уровень навыков, творческий подход, и самое главное — ваше желание.

А какие мечты и планы по поводу будущего кабриолета у вас? Поделитесь своим мнением, оставив комментарий под этой статьёй.

Автотюнинг: кабриолет своими руками

С давних времён так сложилось, что кабриолеты — это преимущественно автомобили для богатых. Ещё на рассвете отечественного и заграничного автопрома авто в кузове «кабрио» были не только редкостью, а для большинства и непозволительной роскошью. Как правило, они выпускались ограниченными партиями и стоили существенно дороже тех же марок авто в кузове седан либо же хетчбэк. В России первые кабриолеты изготовлялись в очень небольшом количестве, а использовались чаще всего высокопоставленными лицами, к примеру, во время проведения парадов, ну или других важных государственных мероприятий. Здесь стоит вспомнить «Победу» (ГАЗ-М20) 1949 года, «Чайку» (ГАЗ 13Б, 14Б) либо же ГАЗ 21, 24 «Волгу», которые были модифицированы под кабриолет и часто использовались на парадах.

За рубежом такие автомобили немножко больше распространены. Это были в своё время фаэтоны (выпускали Skoda, Horch, Packard) или же автомобили тарга — разновидность родстеров со съёмным верхом. Сегодня модели с откидывающимся верхом присутствуют в модельном ряде многих зарубежных производителей. Наиболее известные модели — Honda S2000, Peugeot 206 CC, Mercedes-Benz SL-Class, Buick Cascada, Lexus SC 430 и много других.

Однако с течением времени почти ничего не изменилось. Кабриолеты и сегодня остаются классом автомобилей для элиты в силу своей значительной стоимости. Ведь на рынке такие авто отечественного производства практически отсутствуют, а за заграничную марку придётся выложить достаточно круглую сумму.

Но для наших умельцев, желающих иметь в своём гараже стильный и красивый автомобиль с откидывающимся верхом, это не стало преградой. Учитывая ограниченность ресурсов, но в то же время богатую фантазию и очень умелые руки, отечественные автолюбители методом проб и ошибок всё же придумали способ, как сделать кабриолет своими руками из обычной машины.

Какие марки подходят для тюнинга под «кабрио»?

Для того чтобы переделать автомобиль, сделать с обычной машины кабриолет, недостаточно спилить крышу. Ведь во всех марках машин крыша — это не только элемент декора или защиты от дождя, снега, ветра. Она служит мощным силовым элементом, который не позволяет машине переломаться пополам. Именно потому, при выборе машины для тюнинга предпочтительнее брать стразу авто с усиленным кузовом. Например, УАЗ-3151 1995 г. Для того чтобы переделать его под кабриолет (снять крышу), понадобится где-то около часа и набор гаечных ключей.

Можно также сделать из седана кабриолет, или с хэтчбека, но при этом нужно будет дополнительно усиливать кузов. Для этих целей подойдёт практически любое авто. Из отечественных — Жигули, Волга и даже Запорожец. Из импортных наибольшую популярность среди умельцев приобрели Opel (Monza, Ascona, Manta) и Audi (C2, Coupe).

Как видоизменить авто?

Прежде чем приступать непосредственно к переделке авто, вы должны быть готовы к тому, что на это уйдёт достаточно много времени и денег. Помимо прочего, вам следует обзавестись гаражом, лекалами для тюнинга и инструментом. Ну и, конечно же, вам понадобится автомобиль. Если у вас такового нет и вы собираетесь его покупать, обратите внимание на то, чтобы кузов был в нормальном состоянии, ведь предстоит ряд сложных работ по его видоизменению. И ржавый кузов их вряд ли выдержит.

Прежде чем приступать к работам, вам понадобится снять всю обшивку внутри салона. Только после этого можно приступать непосредственно к укреплению кузова авто. Для таких целей подойдут металлические трубы с 3-милиметровыми стенками диаметром от 2 см. Их необходимо приварить параллельно друг к другу, соединив таким образом днище и узлы крепления мотора. Дальше соединяем днище с багажным отделением. Здесь понадобятся более толстые и мощные трубки, с толщиной стенок от 4 мм. После этого укрепляется рама бокового стекла, завариваются и усиливаются задние двери. Если вы решили оставить 4 двери, то нужно основательно укрепить заднюю дверь. Далее, усиливаем пороги автомобиля. Не помешает установка дополнительной перегородки между кузовом и багажником, а также вертикальных трубок от рамы лобового стекла к днищу машины. Также следует усилить и передние двери. Сделать это можно с помощью прочного каркаса. Ну и последний элемент усиления — это установка металлической балки, которая будет огибать сидения авто.

Чтобы сделать из машины кабриолет, вам понадобится спилить крышу. Здесь можно сделать на ваше усмотрение: либо же свинчивается полностью, или же боковушки оставляются.

После того как крыша демонтирована, необходимо заняться изготовлением новой крыши, съёмной, из непромокаемой ткани или тента. Ведь ездить вы собираетесь не только в тёплую солнечную погоду. А соответственно необходима защита от ветра, дождя или снега.

Сначала разрабатывается шаблон, делаются стальные дуги (получится что-то похожее на раскладной козырёк в детской коляске). Можно дополнительно соорудить механизм автоматического складывания-раскладывания крыши, чтобы в случае внезапно начавшегося дождя не останавливать машину и не раскладывать крышу вручную.

Не стоит забывать, что после проведения ряда сварочных работ понадобится перекрасить кузов автомобиля. А это значит, что вам дополнительно придётся потратить время на выравнивание, зачистку, шлифовку, шпаклёвку. Ну и, непосредственно, нанесение слоёв краски и лака.

Последний этап — обновление салона. Ведь теперь салон вашего автомобиля виден всем, и, соответственно, его следует сделать красивым и одновременно с этим устойчивым к солнцу, влаге, пыли. Для обшивки лучше всего подойдёт качественный кожзам или кожа. Они меньше выгорают, легче чистятся и быстрее сохнут в случае намокания. Как лучше всё оформить — решать только вам. Здесь можно делать практически всё, на что хватит вашей фантазии и средств.

После того как всё вышеописанное сделано, ваш автомобиль полностью готов к использованию.

И напоследок

Все вышеописанные изменения кузова достаточно сильно утяжелят ваше авто, что непосредственно может сказаться на его скорости. Однако они необходимы, ведь крыша, которую мы сняли, играла очень важную силовую и защитную роль. Если же вам захочется, чтобы скоростные показатели уже переделанного авто сохранились, потом можно будет заняться и усовершенствованием его двигателя. Правда, довериться в этом деле всё-таки лучше специалистам из мастерской.

Расчёт кабриолета на прочность

Переделка типичного закрытого несущего кузова в кабриолет встречает на своём пути достаточно большие затруднения, поскольку несущие кузова большинства отечественных автомобилей принадлежат к типу кузовов с несущим корпусом и замкнутой силовой структурой (возникающие при езде нагрузки воспринимаются преимущественно тонкостенными несущими конструкциями самого кузова, причём как нижним силовым поясом — лонжероны, короба, пороги, так и верхним — стойки крыши и сама крыша; за исключением пикапа Иж-2715, у которого кузов с частично незамкнутой силовой структурой, хотя и более жёсткий, чем у кабриолета, за счёт наличия крыши над передними сиденьями) — в то время, как кабриолет с несущим кузовом является примером другого подтипа, несущего кузова с несущим основанием и незамкнутой силовой структурой (все нагрузки воспринимаются только нижним силовым поясом — основанием кузова).

Основание кузова Победы и Волги ГАЗ-21 вполне может самостоятельно существовать и даже передвигаться. Но вот жёсткостью, необходимой для воспринятия возникающих при движении автомобиля нагрузок, оно само по себе не обладает. Поэтому у Победы — кабриолета и оставили замкнутые проёмы дверей — это позволило использовать серийное днище с порогами. Хотя даже при этом потребовалось его усиление, компенсирующее отсутствие самой крыши и её поперечных брусьев; в несущем кузове каждая деталь важна и играет роль в воспринятии нагрузки.

Средний и верхний силовые пояса (в основном стойки и крыша) в конструкции закрытого кузова играют ту же самую роль, что и шпренгель вагонной рамы: в значительной степени разгружают пороги (короба) несущего кузова, изменяя характер и величину воздействующих на них нагрузок. Такая конструкция в инженерном деле именуется "шпренгельная балка", хотя, в отличие от предлагаемой ниже методики расчёта для кабриолета, для закрытого несущего кузова легкового автомобиля его представление в виде шпренгельной балки скорее всего даст слишком сильно отличающийся от реальности результат — на практике для расчёта прочности закрытого несущего кузова требуются намного более сложные математические модели.

Если у такого кузова просто срезать крышу — он не будет обладать должной прочностью и жёсткостью, так как его основание рассчитано на воспринятие нагрузок исключительно в сочетании с другими частями кузова, в первую очередь — проёмами дверей и, собственно, крышей. Без замкнутых проёмов дверей и крыши такой кузов начнёт заметно "играть" на неровностях дороги и рано или поздно просто сложиться пополам, сломавшись в зоне наибольших напряжений (примерно в районе переднего дивана), так как изгибающие моменты в его порогах превысят возможности металла кузова.

Ведь в отсутствии крыши на каждый из порогов кузова приходится примерно в шесть (!) раз большее максимальное значение изгибающего момента, чем у седана, у которого возникающие при движении по дороге усилия распределяются между порогами, продольными балками дверных проёмов и крышей. Компенсировать это ослабление конструкции кузова можно только за счёт усиления его силового основания — причём значительного, соответствующего серьёзному возрастанию нагрузки (т.е. всевозможная нелепая кустарщина, вроде наваренных на штатные пороги уголков или распорок в салоне, не проканает — нужно полностью менять несущие элементы на значительно более мощные).

Думаю, это самоочевидно, но учитывая, что эту ошибку повторяют вновь и вновь — приходится заострять внимание: срезать крышу надо ПОСЛЕ усиления кузова, а не до ! В крайнем случае — резать, сняв все тяжёлые агрегаты (снижаем нагрузку на кузов до минимума) и заварив все проёмы временными усилителями. Иначе — сложиться-то он не сложиться, если не гнилой, но геометрия поплывёт, ведь с установленным двигателем и другими агрегатами локальные напряжения в порогах и других силовых элементах пола при удалении верхнего силового пояса легко могут превысить предел текучести металла кузова даже в статике, на стоящей на месте машине. Я уже не говорю о дико завышенной нагрузке на сварочные швы между отдельными деталями кузова и перестающих нормально закрываться из-за деформации проёмов дверях.

Я приведу здесь упрощённую методику оценочного прочностного расчёта открытого кузова из книги В. Пескова "Основы эргономики и дизайна автомобиля" (учебное пособие НГТУ).

В этой методике расчёты производятся для режима чистого изгиба, при этом принимается допущение, что оконечности кузова являются практически недеформируемыми (в нашем случае это вполне допустимо, так как они в значительной степени усилены панелями крыльев и брызговиками колёсных ниш). Таким образом, практически вся нагрузка приходится на коробчатые пороги кузова (или, в случае рамного кузова, на лонжероны рамы и пороги кузова).

Это позволяет представить кузов в виде простой двухопорной балки с сечением, соответствующим сечению взятых вместе обоих порогов кузова, расчёт которой не представляет затруднений, если вы являетесь студентом или выпускником технического ВУЗа — это стандартная задача из курса сопромата. Нужно лишь нанести на балку приложенные к ней силы (веса агрегатов, пассажиров и грузов), найти реакции опор (расположенных в точках осей колёс) и построить эпюру приложенных к балке изгибающих моментов, по которой определить максимальный изгибающий момент, величина которого будет использована непосредственно в прочностном расчёте.

Примерная расчётная схема для примера из книги Пескова:

(Эта схема нарисована в инженерном софте для расчёта балок и ферм; цифры нагрузок приведены в Ньютонах, а не килоНьютонах, как в расчёте ниже; также условно не указана распределённая нагрузка q, приложенная по всей длине балки)

Для те же, кто не вполне владеет такой методикой расчёта, я рекомендую онлайн-калькулятор

— который сам делает примерно то же самое и выдаёт достаточно близкий к истине готовый ответ.

Параметры для расчёта из примера Пескова в том виде, который требует программа:

Кол-во характерных точек: 10

Точки 1 и 10 — крайние точки рамы / подрамников.

3 и 8 — точки, в которых к кузову приложены силы реакции дороги R1 и R2 — за эти точки условно приняты горизонтальные координаты осей колёс — либо точек крепления подвесок (в случае подвески, полностью смонтированной на балке — "Волга", "Москвич"), либо точек, в которых упругий элемент подвески упирается в кузов.

Стоит иметь в виду, что последнее допущение является приемлемым только в случае подвесок, в которых вертикальные усилия передаются на кузов в одной точке (пружинная, макферсон и т.п.) Для подвески на продольных рессорах силу реакции R2 следует пропорционально длине плеч рессоры разложить на две составляющие R2a и R2b, приложенные соответственно в точках крепления к кузову переднего (a) и заднего (b) ушек — что создаст ощутимо меньший уровень локальных напряжений. Учитывая, что рессора обычно практически симметрична относительно моста, можно условно считать R2a = R2b = 1/2 R2.

Остальные — точки, в которых к кузову автомобиля приложены веса агрегатов и грузов, за них принимаются горизонтальные координаты центра тяжести соответствующего агрегата или груза. Веса агрегатов подвески и колёс (неподрессоренные массы) не учитываются, так как они раму / кузов не нагружают.

Длины участков (расстояния между точками, в которых приложены веса агрегатов и грузов, а также опорами — осями колёс, откладываются от нуля — переднего края рамы или переднего бампера, как удобно; например, L3 — расстояние между точками 3 и 4):

L1 = 0.4 м.
L2 = 0.4 м.
L3 = 0.3 м.
L4 = 1.2 м.
L5 = 0.9 м.
L6 = 0.3 м.
L7 = 0.2 м.
L8 = 0.5 м.
L9 = 0.6 м.

Общая длина балки: 4.8 м (длина автомобиля)

Шарнирно-неподвижная опора в точке 3
Шарнирно-подвижная опора в точке 8

Сосредоточенные нагрузки (со знаком "минус", т.к. на расчётной схеме направлены вниз):

F1 = -0.5 кН., в точке 2 (вес радиатора и аккумулятора)
F2 = -3 кН., в точке 4 (вес силового агрегата в сборе)
F3 = -2.8 кН., в точке 5 (вес двух человек, передних сидений, панели приборов, руля)
F4 = -2.6 кН., в точке 6 (вес трёх человек и заднего сиденья)
F5 = -0.7 кН., в точке 7 (вес складной крыши и механизма складывания)
F6 = -0.7 кН., в точке 9 (вес бензобака и запасного колеса)

В остальных точках ставим 0 (нет нагрузки).

Этап 4: пропускаем ничего не вводя

Распределённая нагрузка: -1,3 кН / м во всех отрезках (вес кузова с отделкой, равномерно распределённый по длине — то есть, делённый на длину автомобиля)

Проверяем схему и жмём "Получить решение"…

В итоге получаем очень развёрнутое решение задачи с комментариями в тексте, значение максимального изгибающего момента M max = 3.69 кН*м и эпюру:

Эпюра моментов, изгибающих пороги кузова кабриолета из приведённого примера (значения в кН*м).

Видно, что максимальное значение приложено к точке 5, то есть, примерно в районе переднего дивана. Это так называемое опасное сечение — вот здесь и сломается кузов, если его пороги не будут обладать достаточной для воспринятия такого изгибающего момента прочностью…

Стоит отметить, что Песков приводит немного иной результат, 3.562 кН*м. Или он использовал несколько иную технику решения, или я где-то немного облажался при вводе исходных данных. Однако разница несущественна — эта методика носит весьма грубо оценочный характер, плюс-минус 10 Н*м особой роли не играют.

Как воспользоваться полученным результатом ?

В результате расчёта вы получили максимальное статическое (то есть, при стоящем автомобиле) значение изгибающего момента, воздействующего на пороги кузова — около 3.6 кН*м, или примерно 1.8 кН*м для одного порога. Сам Песков рекомендует для дальнейших расчётов принять заведомо завышенную цифру в 4 кН*м для двух порогов.

Для сравнения, на пороги седана с теми же параметрами действует изгибающий момент всего лишь в 295 Н*м, то есть, как уже указывалось выше, вшестеро меньший, чем у открытого кузова. Поэтому, например, у "Москвича-407" пороги имеют сечение примерно 80х80х1,2 мм (по форме естественно не совсем квадрат) и Wx всего около 10 см3 (значение взято проектировщиками с запасом). Кабриолету с теми же параметрами понадобиться как минимум втрое больше, и всё равно прочность и жёсткость его кузова будут, естественно, ниже, чем у седана.

При проезде неровностей дороги автомобиль испытывает вертикальные перегрузки, достигающие 1,5…2G, а при быстрой езде по очень разбитой дороге — и до 3G. Поэтому в расчёте используется динамический коэффициент, для дорожных автомобилей обычно принимаемый за 1,75. Если принять максимальное значение коэффициента, динамическое значение изгибающего момента, воздействующего на пороги обсчитываемого нами автомобиля, может достигать 3 х 4 = 12 кН*м — для двух порогов, или 12 / 2 = 6 кН*м — для одного порога (в случае несущего кузова с двумя одинаковыми порогами).

Для того, чтобы соотнести полученную величину изгибающего момента с реальностью, нам понадобиться ещё одна справочная величина — предел текучести материала кузова, то есть, величина напряжения в металле, при котором начинается его необратимая деформация. Для типичной кузовной стали типа 08кп предел текучести (σ т) составляет порядка 180…220 МПа (кг / см2), Песков рекомендует принять величину в 160 МПа как предельно допустимую без последствий для кузова.

Естественно, если вы будете использовать сталь другой марки (например, обычную конструкционную ст3пс, ст20 повышенного сопротивления или низколегированную ст09Г2С), цифра σ т тоже будет другой — возьмите её из любого марочника сталей. Иногда вместо предела текучести в справочнике приводится номинальное допускаемое напряжение σ, тоже в МПа — эта величина также вполне пригодна для расчёта.

В любом случае, нам нужна величина для нетермообработанного (нормализованного) тонкого листа металла.

Если не знаете марку используемого металла, или не можете найти в справочнике нужного значения — примите значение в 150 МПа, что соответствует самой обычной конструкционной стали без термообработки.

Полученную величину изгибающего момента в Н*м (не кН !) делим на величину предела текучести в МПа, получаем минимальный допустимый момент сопротивления одного порога кузова в см3:

Wx = M max / σ т = 6000 Н*м / 160 МПа = 37.5 см3

Wx — это минимальный момент сопротивления сечения одного порога, при котором кузов автомобиля гарантированно не будет получать необратимой деформации при проезде неровностей дорог.

По таблице технических характеристик сортового проката, например

— находим такое сечение, у которого Wx >= требуемого. Например, из представленных в этой таблице нам вполне подходит сечение 120х80х3 мм (Wx = 38.37 см3). Сам Песков рекомендует сечение 150х150х1.5 мм, у которого Wx

= 40 см3 — оно и понятно, на заводе кузова сваривают из тонкой стали, что требует соответствующего увеличения сечения. Но для самодельщика во многих случаях выгоднее применить профиль меньшего сечения, зато с более толстыми стенками (без фанатизма, см. ниже) — это позволяет сэкономить пространство салона. Кроме того, при выборе сечения не лишним будет руководствоваться и удельной массой выбранного материала — естественно, чем легче при равной прочности — тем лучше.

Однако при этом следует помнить, что помимо прочности (чтобы не сломался) необходимо обеспечить ещё и жёсткость кузова. Причём не только на кручение, которой все обычно "меряются", но и на обычный изгиб.

Например, в приведённом примере при сечении порога 150х150х1.5 мм и вертикальной перегрузке 2g (быстрая езда по умеренно плохой дороге) величина изгибной деформации основания кузова составит 4…4.5 мм (данные из Пескова, но по идее это тоже совершенно стандартная задача из курса сопромата — определение величины прогиба пролётной части балки под заданной нагрузкой) — и это для чистого изгиба, без закручивания ! Т.е., кузов наш на неровностях будет заметно "играть", возможно касание торцов дверей и дверных проёмов (при зазорах между этими деталями 3…4 мм), стук, соскабливание краски на торцах дверей, и т.п. неприятные вещи, вплоть до самооткрывания дверей, если они не снабжены специальным предохранительным устройством. Поэтому лучше принять некоторый запас прочности, взяв профиль с заведомо большим (на 20-30%) Wx или добавив внутренний продольный усилитель (как у порогов "классических" "Жигулей" и ГАЗ-24).

Разумеется, у настоящего кузова основание дополнительно усилено самой панелью днища (достаточно мощной у несущего кузова), центральным тоннелем для карданного вала или привода коробки передач (у машин классической компоновки также весьма жёстким), приваренными к нему задними частями лонжеронов, доходящих до середины порога (при обычной продольно-поперечной схеме силовых элементов, как у заднеприводного "Москвича", "Волги"; кстати, заметьте, что у этих машин лонжероны доведены как раз до места опасного сечения порога, где нагрузка на него максимальна, это далеко не случайно), и так далее. Всё это идёт прочности в плюс, то есть, реально кузов будет ощутимо прочнее, чем по нашему расчёту. Именно поэтому я не советую брать излишне большой запас прочности (не более 50%) — конструкция получится переутяжелённой без особого смысла.

Если вы не нашли нужный профиль в справочниках — есть ещё формулы для определения Wx короба по его ширине, высоте и толщине стенок —

Или, для круглой трубы (если у вас рама из круглых труб) —

W = (pi*(D^4 — d^4)) / 32*D

— где D, d — соотв. наружный и внутренний диаметр трубы, pi = 3,1415926…

Например, вот в это журнале усиленные пороги имеют сечение 150х120х1.5 мм, их Wx составляет по приведённой формуле 37 см3 — с такими порогами крышу можно резать смело, учитывая, что "Москвич" намного меньше и легче машины из примера (исходя из приведённых в примере цифр, она весит больше полутора тонн, как и положено кабриолету класса "Волги") и его пороги будут испытывать ощутимо меньшие напряжения.

Есть и методики расчёта Wx для составного сечения, например, составленного из нескольких труб, как у "Арарата" на базе ГАЗ-21, или в виде короба со внутренним продольным усилителем, как у "Жигулей" и ГАЗ-24, однако их рассмотрение выходит за границы данного опуса. Проще всего сделать это в SolidWorks или аналогичном пакете, либо в онлайн-кулькуляторе.

Точно так же будет выглядеть и расчёт сечения лонжерона рамы в случае её конструкции по типу представленной в этом журнале — то есть, с лонжеронами, играющими роль порогов кузова. В этом случае профиль лонжеронов 120х80х4 мм, Wx = 49.1 см3 (номинальное допустимое напряжение использованной в этом проекте стали ст3 составляет 145 МПа, то есть, такой порог без негативных последствий для себя может воспринять и 7 кН*м). Тоже получится вполне работоспособный кабриолет, особенно с учётом того, что рама вваривается в несущий кузов с толстым днищем и мощным центральным тоннелем, дополнительно повышающим сопротивление изгибу.

В случае более традиционной рамы всё зависит от того, в какой степени кузов будет принимать участие в воспринятии нагрузок. Для полунесущего кузова с более-менее жёстким креплением к раме (сваркой, болтами без подушек) полученная величина Wx будет характеризовать момент сопротивления не одного порога, а совместно одного порога и одного лонжерона. Если же кузов крепится на раме через полноценные подушки, допускающие их значительные взаимные колебания, т.е. практически полностью разгружен — его собственной прочностью можно (и нужно) пренебречь.

Стоит отметить, что для кабриолета подобная Иж-Комби конструкция днища в средней части кузова является очень выигрышной — дополнительные продольные силовые элементы разгружают пороги, снижая риск их деформации из-за локального превышения порога текучести металла как при работе в режиме изгиба, так и при одновременном закручивании вместе с изгибом. Кстати, именно так сделано несущее основание кузова мотоколяски С3А — одного из немногих наших серийных кабриолетов. Да и у пикапа Иж-2715, кузов которого, как указывалось выше, работает в режиме, приближающемся к "кабриолетному".

Смело можно рекомендовать на всех несущих кузовах, переделываемых в кабриолет, наряду с увеличением сечения порогов соединять передние и задние лонжероны наваренными на днище дополнительными продольными усилителями с сечением в виде буквы П. А получившиеся в результате лонжероны от бампера до бампера — в свою очередь увязывать с усилеными порогами Х-образным усилителем.

Примерно то же касается и Х-образных усилителей на днище, но в данном случае уже сложно ручаться за реалистичность расчёта (правда, это в основном касается режима скручивания — "вывешенное колесо"). Лично я бы порекомендовал кабриолету именно разваривать пороги, а Х-образный усилитель рассматривать исключительно как дополнительное усиление, главным образом повышающее торсионную (на скручивание) жёсткость кузова и отчасти разгружающий пороги при нагрузках, близких к предельным.

Разумеется, на практике характер деформации кузова под нагрузкой отличается от принятой нами простейшей модели в виде двухопорной балки. При прохождении поворотов и вывешивании одного из колёс кузов начинает испытывать помимо напряжений от изгиба также и напряжения, возникающее в результате скручивания элементов каркаса, которые при наложении друг на друга дают сложное напряжённое состояние, полноценный анализ которого может быть произведён лишь с применением специализированного инженерного софта. Однако на практике для сравнительно малоскоростного (каковым и должен являться самодельный кабриолет) автомобиля, рассчитанного на эксплуатацию преимущественно по благоустроенным дорогам (каким по определению является любой кабриолет с несущим кузовом), этим можно пренебречь, считая, что при близких к предельным значениях изгибных напряжений кузов будет испытывать минимальные напряжения от скручивания, и наоборот (хотя отдельный расчёт напряжённого состояния элементов каркаса кузова в режиме чистого закручивания в любом случае будет не лишним).

Также нужно помнить, что в усилении нуждаются не только сами пороги, но и как минимум ещё поперечины пола и детали, объединяющие лонжероны с передними и задними лонжеронами — торкбоксы / раскосы пола (в какой степени ? я бы принял чисто эмпирическое соотношение — момент сопротивления нового сечения этих элементов должен быть во столько же раз больше, чем у родных, во сколько раз момент сопротивления новых порогов больше, чем у родных)… сами лонжероны, кстати, особого смысла усиливать нет — как уже говорилось, оконечности несущего кузова и так имеют довольно высокую жёсткость на изгиб, а нагрузки, воздействующие на их силовые элементы, сравнительно невелики благодаря близости к точкам приложения сил реакции дороги (меньше плечо — меньше момент силы), причём удаление крыши их практически не увеличивает (усиление передка и задка может быть весьма полезным, но при этом надо увеличивать в первую очередь сопротивление не изгибу, а закручиванию). А вот раскосы, соединяющие лонжероны с моторным отсеком (как у ГАЗ-24) могут оказаться весьма кстати.

Среди волговодов есть миф по поводу этих раскосов, будто бы они не играют особой силовой роли, так как двигатель опирается не прямо на лонжероны, а на балку подвески, а через неё — на подвеску. Или якобы работают только когда машина поднята на подъёмник и лонжероны оказываются консольно вывешены. Разумеется, это не соответствует действительности: кузов автомобиля изгибают не только веса агрегатов, но и приложенная к точкам крепления подвески на лонжеронах ответная реакция дороги, которую мы как раз и считали чуть выше. Раскосы в значительной степени разгружают лонжероны и сварочные швы на днище кузова.

Не лишним будет и усиление тоннеля пола (в котором проходит карданный вал), например — за счёт увеличения толщины его стенок и создания на части его длины замкнутого сечения — он также является важной несущей конструкцией.

Например, на "Москвиче-Туристе" были применены все перечисленные выше методы усиления кузова: увеличено сечение порогов, усилен тоннель пола, получивший закрытое сечение на части своей длины, передние лонжероны связаны между собой, с тоннелем пола и с порогами коробчатым Х-образным усилителем.

У "Победы"-кабриолета вставок между передними и задними лонжеронами не было, зато присутствовал закрытый снизу тоннель карданного вала и очень массивные диагональные усилители, связывающие его с порогами и вместе со штатным усилителем пола (окружающим КПП) образующие мощную Х-образную поперечину (фото), наряду с чем в кузове имелось множество накладных усилителей, похожих на использованные в конструкции кузова полноприводного М-72; но "Победа" и не была полноценным кабриолетом, так как сохраняла дуги боковины кузова.

Для обеспечения жёсткости верхней части кузова будет неплохо также усилить Х-образную вставку за спинкой заднего дивана, отделяющую салон от багажника, или при её отсутствии с завода — сделать аналогичную, из достаточно мощных труб.

Помните общие принципы усиления кузова: не используйте для усилений металл намного толще использованного в кузове штатно (не толще 2-3 мм), иначе все усиления просто вырвет в процессе эксплуатации из-за концентрации напряжений (этот принцип наглядно объяснён в видео по ссылке). При езде кузов всегда немного деформируется, если какая-то его часть (например, накладной усилитель) намного жёстче остальной конструкции — она становится концентратором напряжений: остальной кузов начинает деформироваться без неё, а на её границах возникают очень большие локальные напряжения, которых не выдержит никакая сварка.

Также, если речь идёт о регистрации изменений в конструкции, с вас потребуют либо рамку лобового стекла, выдерживающую вес автомобиля при опрокидывании, либо дугу безопасности. Ну и уж конечно само собой разумеется, что никакой гнили — в том числе и скрытой — или усталости металла в кузове кабриолета быть не должно…

Подобный расчет также несложно выполнить в любом пакете, способном проводить анализ стержневых систем (я использую Inventor Frame Analysis). Можно ограничиться и нашей упрощённой моделью виде балки, а можно и вычертить все основные несущие элементы кузова (лонжероны, пороги, поперечины и раскосы пола). Затем задаются тип и материал элементов, проводится испытание с приложением нагрузок (с учётом перегрузки) и делается вывод о том, способен ли материал рамы выдерживать возникающие при нагружении напряжения — например, если макс. нормальное напряжение не превышает 150…160 МПа, то годится обычная конструкционная сталь. Если нет — надо менять материал либо увеличивать сечения, толщины и т.п. Этот расчёт сложнее, но надёжнее приведённого выше упрощённого.

Так производилось измерение жёсткости основания кузова в реальности. Сегодня его можно воспроизвести в любой CAD-программе. Кстати, у изображённого на фото основания кузова Москвича-400 жёсткость на кручение составляла всего 1000 Нм/гр. (кузова в целом — 2500). Так что очень уж больших величин этого параметра для нормальной эксплуатации автомобиля не требуется — главное чтобы не происходило взаимного касания кузовных панелей.

Там же можно проводить и расчёт жёсткости на изгиб и на кручение. Например, для расчёта жёсткости рамы на кручение в пределах колёсной базы необходимо зафиксировать крепления задней подвески, а к креплениям передней — приложить крутящий момент или пару сил, создающих момент известной величины (это имитирует ситуацию, когда ходы подвески уже выбраны и начинает скручиваться сам кузов). Величина этого момента и угол, на который закрутится рама (определяется геометрически по максимальному смещению датчиков, установленных в районе приложения момента) пересчитываются в жёсткость в Нм на 1 градус (кстати, у кабриолетов она редко превышает 4000-5000 Нм/гр.), следя при этом за отсутствием локального превышения предельно допустимых напряжений в металле.

А вот — то же самое измерение, но уже в исполнении инженеров Тойоты. Рама жёстко закреплена в трёх точках, соответствующих точкам воспринятия нагрузок от подвески, и нагружена в одной.

Можно просто смоделировать ситуацию "вывешенного колеса" — нагрузить модель всеми указанными выше нагрузками, с учётом максимальной перегрузки, и при этом зафиксировать только три точки подвески из четырёх. В этом случае моделируется напряжённое состояние кузова при наименее благоприятном режиме — одновременном изгибе и закручивании.

Ещё более точный, но и намного более сложный способ расчёта — конечно-элементный анализ напряжённых состояний конструкции из листового металла в том же софте.

Апгрейд: из «серийника» в кабриолет

Кабриолет – роскошный автомобиль премиум-класса с откидной крышей. В нашей стране сложилось стереотипное мнение, что автомобили с открывающейся крышей доступны исключительно высшим слоям социального сословия. Однако в последнее время «самоделкины» создают полноценные кабриолеты, из стареньких машин, не выходя из гаража. Смекалка в совокупности с малейшими знаниями инженерии поможет воплотить в жизнь давнюю мечту.

Условно этап создания кабриолета можно разделить на следующие шаги:

• Подбор автомобиля;
• Подготовка технической документации (чертежи, материалы);
• Предварительная оценка стоимости работ;
• Подготовка рабочего пространства/места для хранения автомобиля;

Историческая справка

Первые упоминания о прототипе кабриолета дотируются XIX веком: во Франции была изобретена облегченная конная повозка с функцией складывающейся крыши. Сегодня кабриолетом именуются двух или четырех местные автомобили с облегченной складывающейся крышей.

Крыша современного кабриолета изготавливается из гибкого винила, полотняного брезента или сталистой жести. Как правило, кабриолетами становятся автомобили на базе седана или хэтчбека, зачастую вариации купе.

Автогиганты практикуют создание кабриолетов на базе следующих автомобилей:

• Фаэтон – автомобиль с полностью открытым верхом, крыша и центральные стойки выполнены из мягкого брезентового материала. Основные поставщики автомобилей: Packard, Horch, Skoda;
• Тарга – одна из вариаций легендарного родстера, отличительной особенностью которого является большое обзорное стекло, установленное в задней части автомобиля в совокупности с дугой безопасности. Модель Triumph TR4 – яркий представитель семейства;
• Родстер – мощный автомобиль с жесткой металлической откидной крышей. Крупнейшие производители двухместных малюток: Ford, Chrysler;
• Спидстер – двух или одноместный родстер, выпускавшийся в качестве спортивного кабриолета. Кабриолет редко эксплуатировался в условиях городского трафика. Знаменитые представители семейства: McLaren Stirling Moss, Mercedes-Benz SLR.

Отсутствие крыши и центральных стоек, значительно снижают уровень безопасности пассажиров в случае дорожного происшествия. Автопроизводителями было решено использовать дополнительные дуги безопасности (подобно раллийным болидам) в совокупности со сталистым кузовом.

Ассортимент автомобилей

Примечательно в середине ХХ-столетия советские машиностроительные комплексы выпускали собственные кабриолеты. Автомобили без крыши изготавливались специально для участия в масштабных военных парадах, или для извоза генеральных секретарей. Сегодня на автомобильных рынках страны можно встретить полуживые кабриолеты «made in USSR»:

• Легендарная «Победа». Выпускалась ограниченной серией конец 40-х начало 50-х годов;
• Представительская «Волга». Седан премиум-класса середины 60-х годов прямо с конвейера переделывался под «кабрио»;
• Желанная в СССР «Черная Волга». Ограниченная серия в кузове кабриолет выпускаемая в 1985 году;
• Антиквариатная «Чайка». Сегодня в мире насчитывается 3 кабриолета, разбросанных по всему земному шару.

В качестве альтернативного варианта появляется возможность приобрести автомобиль российского производства. Важно предварительно ознакомится с технической документацией, просчитать возможность проведения работ. Среди автоумельцев следующие экземпляры пользуются популярностью:

• УАЗ-3151 (1994-1996 г.). В народе автомобиль получил восстребованость благодаря простому демонтажу крыши, несколько минут и кабриолет готов к эксплуатации;
• «Запорожец» (примечательно использовать автомобили второго поколения);
• «ВАЗ». Подходят Жигули практически всех известных на рынке моделей;
• «Волга». Подходят абсолютно все автомобили, выпускаемые со времен Советского Союза.

Среди зарубежных автомобилей чаще всего пользуются спросом седаны, выпускаемые под маркой: Audi и Opel. В качестве альтернативы могут быть использованы готовые кабриолеты от Ford.

Технологический процесс

Любая доработка автомобиля должна сопровождаться продуманными изменениями в плане системы безопасности, ведь эволюция седана в кабриолет подразумевает тотальные изменения кузова. Центральные стойки и крыша должны быть заменены на сварно-трубчатую раму. Для воплощения заветной мечты, в жизнь, понадобится:

• Непосредственно автомобиль (заранее подготовленный к проведению технических работ: снятая обшивка, демонтированный салон, отсоединенная электрика);
• Полностью укомплектованный необходимыми инструментами гараж, или профессиональная автомобильная мастерская;
• Заранее подготовленные чертежи;
• И, конечно же, горящие глаза мастера;

Доработка кузова

Кроме эстетических качеств и защиты пассажиров от внешних факторов, крыша играет не маловажную роль в обеспечение безопасности. Безусловно, спиливание крыши без усиления кузова, может принять весьма плачевную сторону в случае ДТП.

Усиление кузова происходит по следующему сценарию:

• Днище автомобиля проваривают специальными стальными лонжеронами, расположенными параллельно порогов;
• Место инсталляция лобового стекла усиливается дуговым коробом;
• На месте перехода салона в багажник, устанавливается стальная пластина, придающая дополнительную жесткость кузову будущего кабриолета;
• За счет проварки дополнительными пластинами усиливаются пороги;
• Вертикально вдоль стоек лобового стекла инсталлируются перегородки жесткости;
• Центральные стойки усиливаются за счет глухой заварки задних дверей;
• Сзади сидений монтируется стальная балка, предающая поперечную жесткость кузову.

Безусловно, дополнительное внедрение металла повышает общую массу автомобиля, любителям высоких скоростей следует ожидать западение резвости двигателя. Следует обратить внимание на сварочные швы, в местах стыковки не должны виднеться элементы ржавчины.

Демонтаж крыши

Деинсталляция крыши разрешается только после проведения работ по усиления кузова автомобиля. В частных случаях мастера оставляют боковые стойки и ветровое стекло, однако вместо заднего ряда сидений вшивается трубная конструкция.

Инсталляция складного механизма

Изготовление автоматического устройства подъема крыши является самым сложным моментом, ведь малейший просчет приведет к катастрофическим последствиям. Однако при определенном умении, устанавливаются опорные дуги, после чего натягивается кровля крыши. В качестве материала крыши может выступать мягкий винил, натуральная кожа или двухслойный брезент.

Перетяжка салон

Салон кабриолета – своеобразная визитная карточка обновленного автомобиля. Специалисты рекомендуют обтягивать внутреннее убранство высококачественными материалами устойчивыми к воздействию внешних факторов, в том числе к ультрафиолетовым излучениям.

Соблюдение основным правил инженерии, ответственный подход к работе, продуманный план действий – ключи к достижению заветной мечты под названием кабриолет. Для создания шедевра необязательно выкладывать круглую сумму денег в автосалоне, важно лишь подойти с головой к процессу конструирования.