هيكل المركبة

يُعدّ قضيب السكة ذو المقطع العرضي على شكل حرف C الأكثر شيوعًا، وقد استُخدم في جميع أنواع المركبات تقريبًا في وقتٍ ما. يُصنع هذا القضيب بأخذ قطعة مسطحة من الفولاذ (يتراوح سمكها عادةً بين 1/8 بوصة و3/16 بوصة، وقد يصل إلى 1/2 بوصة أو أكثر في بعض الشاحنات الثقيلة ^{[ 3 ] [ 4 ]} ) وثني كلا الجانبين لتشكيل عارضة على شكل حرف C تمتد على طول المركبة. يتميز قضيب السكة ذو المقطع العرضي على شكل حرف C بمرونة أكبر من القضبان المغلقة (بشكل كامل) من نفس المقياس.

إطارات القبعات تشبه حرف "U"، وقد تكون في وضعها الطبيعي أو مقلوبة بحيث يكون الجزء المفتوح متجهًا للأسفل. لا تُستخدم هذه الإطارات عادةً بسبب ضعفها وميلها للصدأ. مع ذلك، يمكن العثور عليها في سيارات شيفروليه من موديلات 1936-1954 وبعض سيارات ستوديبيكر .

بعد أن تم التخلي عنه لفترة من الوقت، استعاد إطار القبعة شعبيته عندما بدأت الشركات في لحامه في الجزء السفلي من السيارات ذات الهيكل الأحادي، مما أدى فعليًا إلى إنشاء إطار صندوقي.

في الأصل، كانت الإطارات الصندوقية تُصنع عن طريق لحام قطعتين متطابقتين من قضبان C معًا لتشكيل أنبوب مستطيل. أما التقنيات الحديثة، فتستخدم عملية مشابهة لصنع قضبان C، حيث يتم ثني قطعة من الفولاذ إلى أربعة جوانب ثم لحامها عند التقاء الطرفين.

في الستينيات، كانت الهياكل الصندوقية للسيارات الأمريكية التقليدية تُلحم بشكل موضعي في أماكن متعددة على طول خط اللحام؛ وعندما يتم تحويلها إلى سيارات سباق ناسكار "ستوك كار"، يتم لحام الصندوق بشكل مستمر من طرف إلى طرف لمزيد من القوة.

رغم أن الهياكل تبدو للوهلة الأولى مجرد شكل بسيط مصنوع من المعدن، إلا أنها تتعرض لإجهاد كبير، ولذا تُصمم وفقًا لذلك. أول ما يُراعى هو "ارتفاع العارضة"، أي ارتفاع الجانب الرأسي للهيكل. فكلما زاد ارتفاع الهيكل، زادت قدرته على مقاومة الانحناء الرأسي عند تطبيق قوة على الجزء العلوي منه. ولهذا السبب، تتميز الشاحنات الكبيرة بعوارض هيكلية أطول من المركبات الأخرى، بدلاً من مجرد زيادة سمكها.

مع ازدياد أهمية المظهر وجودة القيادة والتحكم لدى المستهلكين، أُدخلت أشكال جديدة على هياكل الدراجات. أبرز هذه الأشكال هي الأقواس والانحناءات. فبدلاً من أن يمتد الهيكل بشكل مستقيم فوق المحورين ، يكون الهيكل المقوس منخفضًا - بمستوى المحورين تقريبًا - وينحني للأعلى فوق المحورين ثم ينزل على الجانب الآخر لتثبيت المصد. أما الانحناءات، فتؤدي نفس الوظيفة دون أن تنحني للأسفل على الجانب الآخر، وهي أكثر شيوعًا في مقدمة الدراجات.

من الميزات الأخرى القضبان المدببة التي تضيق عموديًا أو أفقيًا أمام مقصورة السيارة. يُستخدم هذا التصميم بشكل أساسي في الشاحنات لتخفيف الوزن وزيادة مساحة المحرك قليلًا، نظرًا لأن الجزء الأمامي من السيارة لا يتحمل نفس القدر من الحمل الذي يتحمله الجزء الخلفي. تشمل التطورات التصميمية استخدام أشكال متعددة في نفس قضيب الإطار. على سبيل المثال، تحتوي بعض شاحنات البيك أب على إطار صندوقي أمام المقصورة، وقضبان أقصر وأضيق أسفلها، وقضبان على شكل حرف C أسفل صندوق الشحن.

في الإطارات المحيطية، تكون المناطق التي تتصل فيها القضبان من الأمام إلى المركز ومن المركز إلى الخلف ضعيفة مقارنة بالإطارات العادية، لذلك يتم إغلاق هذا القسم، مما يؤدي إلى إنشاء ما يسمى "صناديق عزم الدوران".

يُعرف الهيكل الفضائي (أو الإطار الفضائي) في الأصل باسم "الإطار الأنبوبي"، ويستخدم الفولاذ الأنبوبي أو السبائك أو ألياف الكربون لإنشاء هيكل ثلاثي الأبعاد حامل للأحمال، تُثبّت عليه أنظمة التعليق والمحرك وألواح الهيكل. ولأن ألواح الهيكل لها وظيفة هيكلية محدودة أو معدومة، تُستخدم الهندسة لزيادة الصلابة إلى أقصى حد وتقليل الوزن إلى أدنى حد، وغالبًا ما تُستخدم المثلثات حيث تكون جميع القوى في كل دعامة إما قوى شد أو ضغط. ويسمح غياب قوى الانحناء بالحفاظ على وزن العناصر ومقطعها العرضي عند الحد الأدنى.

صُممت وأُنتجت أول هياكل فضائية حقيقية في ثلاثينيات القرن العشرين على يد باكمينستر فولر وويليام بوشنيل ستاوت ، اللذين فهما النظرية التي تدعمها من الهندسة المعمارية أو تصميم الطائرات، مما أدى إلى ظهور حافلتي دايمكسيون وستوت سكاراب الشبيهتين بالحافلات . ^{[ 7 ]} وكان الهدف هو زيادة المساحة إلى أقصى حد مع تقليل الوزن إلى أدنى حد.

بفضل نسبة قوته العالية إلى وزنه، تمّ تكييف الهيكل الفضائي لسباقات السيارات بعد الحرب العالمية الثانية. استخدمت سيارة جاكوار سي-تايب الرياضية للسباقات عام 1951 هيكلاً خفيف الوزن متعدد الأنابيب مثلث الشكل، صُنع فوقه هيكل انسيابي من الألومنيوم. شهد هذا التصميم إنتاجاً واسعاً مع طرح سيارة مرسيدس-بنز 300 إس إل "جناح النورس" الرياضية عام 1954، والتي كانت أسرع سيارة على الطرقات في ذلك الوقت. جعلت عتبات السيارة المرتفعة للغاية الأبواب التقليدية غير عملية، مما أدى إلى ظهور أبواب جناح النورس الشهيرة لهذا الطراز .

في عام 1994، كانت أودي A8 أول سيارة تُطرح في الأسواق بكميات كبيرة بهيكل من الألومنيوم، وقد أصبح ذلك ممكناً بفضل دمج إطار فضائي من الألومنيوم في هيكل السيارة. ومنذ ذلك الحين، استخدمت طرازات أودي A8 طريقة البناء هذه التي طُوّرت بالتعاون مع شركة ألكوا ، وسُوّقت تحت اسم " إطار أودي الفضائي" . ^{[ 8 ]}

الإطار الأنبوبي غير الحامل للأحمال ليس إطارًا فضائيًا حقيقيًا. وقد سُجّل المصطلح الإيطالي " سوبرليجيرا " (بمعنى "خفيف للغاية") كعلامة تجارية لهيكل سيارة رياضية خفيف الوزن، ولكنه مع ذلك يتطلب هيكلًا أساسيًا خاصًا به، وبالتالي لا يشبه الهيكل الفضائي إلا في الشكل العام وطريقة البناء. ويعتمد هذا الهيكل على شبكة من الأنابيب الضيقة، تشبه الشكل الجيوديسي، تمتد أسفل الهيكل، مرورًا بالرفارف وفوق المبرد وغطاء المحرك والسقف، وصولًا إلى أسفل النافذة الخلفية، لتوفير الشكل ونقاط التثبيت لغطاء معدني، عادةً ما يكون من الألومنيوم لتوفير الوزن، حيث لا تُعتبر الصلابة من الاعتبارات الأساسية.

أمثلة على الهيكل الأحادي المتكامل

سيتروين تراكشن أفانت هيكل موحد (1934)

رسم توضيحي لسيارة ناش أمباسادور 600 موديل 1942

خلية الأمان في سيارة ساب 9000 باللونين الأحمر والبرتقالي (2005)

تظهر سيارة فيات 126p البولندية دعامات ملحومة أسفل الأرضية، ولكن بدون إطار مميز.

يُستخدم مصطلحا "الهيكل الأحادي" و"الهيكل الموحد" اختصارًا لعبارة "الهيكل الموحد" أو "البنية الموحدة"، أو بديلًا لذلك، الهيكل والإطار/الشاسيه المتكاملين (بشكل كامل). ويُعرَّف على النحو التالي: ^{[ 9 ]}

نوع من أنواع هياكل السيارات ذات الإطار المتكامل، حيث يشكل هيكل السيارة وقاعدتها وهيكلها الأساسي وحدةً واحدة. يتميز هذا التصميم عمومًا بخفة وزنه وصلابته مقارنةً بالسيارات ذات الهيكل والإطار المنفصلين.

لقد تحول هيكل المركبات من بنية الهيكل التقليدية ذات الإطار المنفصل إلى بنية الهيكل الموحدة/المتكاملة الأخف وزناً والتي تُستخدم الآن في معظم السيارات. ^{[ 10 ]}

يتطلب بناء الهيكل والإطار المتكامل أكثر من مجرد لحام هيكل غير مُجهد بإطار تقليدي. ففي هيكل السيارة المتكامل تمامًا، تُصبح السيارة بأكملها وحدة حاملة للأحمال، تتحمل جميع الأحمال التي تتعرض لها، سواءً قوى القيادة أو أحمال الشحن. تُصنع هياكل السيارات ذات العجلات المتكاملة عادةً عن طريق لحام ألواح معدنية مُشكّلة مسبقًا ومكونات أخرى معًا، أو عن طريق تشكيل أو صب أقسام كاملة كقطعة واحدة، أو عن طريق الجمع بين هذه التقنيات. على الرغم من أن هذا يُشار إليه أحيانًا باسم الهيكل الأحادي ، إلا أنه نظرًا لأن الغلاف الخارجي للسيارة وألواحها مُصممة لتحمل الأحمال، فإنه لا يزال يحتوي على أضلاع وحواجز ومقاطع صندوقية لتقوية الهيكل، مما يجعل وصفه بأنه شبه أحادي أكثر دقة.

كانت المحاولة الأولى لتطوير تقنية تصميم كهذه في سيارة لانشيا لامبدا عام 1922 ، بهدف توفير صلابة هيكلية وانخفاض ارتفاع هيكلها الانسيابي . ^{[ 11 ]} تميزت لامبدا بتصميم مفتوح وسقف غير مُدعّم، مما جعلها أقرب إلى شكل الوعاء منها إلى هيكل أحادي متكامل . وقد تم إنتاج ألف سيارة منها. ^{[ 12 ]}

لعبت شركة Budd الأمريكية، التي أصبحت الآن ThyssenKrupp Budd ، دورًا رئيسيًا في تطوير الهيكل الموحد . ^{[ 12 ]} قامت Budd بتزويد شركات صناعة السيارات Dodge و Ford و Buick والشركة الفرنسية Citroën بهياكل فولاذية مضغوطة، مثبتة على إطارات منفصلة .

في عام 1930، قام جوزيف ليدوينكا ، وهو مهندس يعمل لدى شركة بود، بتصميم نموذج أولي لسيارة ذات هيكل موحد بالكامل. ^{[ 13 ]}

اشترت سيتروين تصميم الهيكل الموحد بالكامل هذا لسيارة سيتروين تراكشن أفانت . طُرحت هذه السيارة، التي حققت إنتاجًا ضخمًا، في عام 1934، وبيعت منها 760,000 وحدة على مدار 23 عامًا من الإنتاج. ^{[ 12 ]} كان هذا التطبيق أول تطبيق للتكامل الهيكلي الحديث بين الهيكل والشاسيه، باستخدام صفائح فولاذية ملحومة بالنقاط ومختومة بعمق لتشكيل قفص هيكلي، يشمل العتبات والأعمدة وعوارض السقف. ^{[ 11 ]} بالإضافة إلى الهيكل الموحد بدون إطار منفصل، تميزت تراكشن أفانت أيضًا بابتكارات أخرى مثل نظام الدفع الأمامي . وكانت النتيجة سيارة منخفضة الارتفاع ذات مقصورة داخلية مفتوحة ومسطحة. ^{[ 14 ]}

بالنسبة لسيارة كرايسلر إيرفلو (1934-1937)، قدمت شركة بود تصميمًا مختلفًا، حيث تم لحام ثلاثة أقسام رئيسية من هيكل السيارة لتشكيل ما أسمته كرايسلر "هيكلًا جسريًا". لسوء الحظ، لم تكن هذه الطريقة مثالية نظرًا لضعف تطابق الألواح. ^{[ 12 ]} ولإقناع الجمهور المتشكك بمتانة الهيكل الأحادي، أنتجت كل من سيتروين وكرايسلر أفلامًا إعلانية تُظهر سيارات تنجو بعد دفعها من أعلى جرف. ^{[ 12 ]}

كانت أوبل ثاني شركة تصنيع سيارات أوروبية وأول شركة ألمانية تنتج سيارة بهيكل أحادي متكامل، حيث بدأ إنتاج سيارة أولمبيا المدمجة عام 1935. وفي عام 1938، دخلت سيارة كابيتان الأكبر حجماً حيز الإنتاج، على الرغم من أن عوارضها الطولية الأمامية كانت تُصنع بشكل منفصل ثم تُركب على الهيكل الرئيسي. وقد حققت نجاحاً باهراً، ما دفع شركة غاز-إم 20 بوبيدا السوفيتية، التي أنتجت بكميات كبيرة بعد الحرب عام 1946، إلى نسخ هيكلها الأحادي المتكامل من أوبل كابيتان. ^{[ 15 ]} وفي وقت لاحق، أدخلت سيارة ليموزين غاز-12 زيم السوفيتية، التي طُرحت عام 1950، تصميم الهيكل الأحادي المتكامل إلى السيارات ذات قاعدة العجلات التي يصل طولها إلى 3.2 متر (126 بوصة). ^{[ 16 ]}

اعتمدت سيارة لينكولن-زفير الانسيابية لعام 1936 ، ذات التصميم التقليدي بمحرك أمامي ودفع خلفي، على هيكل أحادي متكامل. ^{[ 17 ]} وبحلول عام 1941، لم يعد الهيكل الأحادي فكرة جديدة في عالم السيارات، "لكنه كان غير مألوف في سوق السيارات منخفضة السعر [الأمريكية]، وكانت شركة ناش تطمح إلى حصة أكبر في هذا السوق." ^{[ 18 ] [ 19 ]} وقد ساهم الهيكل الأحادي المتكامل لسيارة ناش 600 في توفير الوزن، وكان رئيس مجلس إدارة شركة ناش ومديرها التنفيذي، جورج دبليو ماسون، مقتنعًا بأن "الهيكل الأحادي هو مستقبل صناعة السيارات." ^{[ 20 ] [ 21 ]}

منذ ذلك الحين، أُعيد تصميم المزيد من السيارات وفقًا لهيكل أحادي متكامل، والذي يُعتبر الآن "معيارًا في صناعة السيارات". ^{[ 21 ]} وبحلول عام 1960، استخدمت شركات ديترويت الثلاث الكبرى تصميم الهيكل الأحادي المتكامل في سياراتها الصغيرة ( فورد فالكون ، وبليموث فاليانت ، وشيفروليه كورفير ). وبعد اندماج ناش مع هدسون موتورز لتشكيل شركة أمريكان موتورز ، استمرت سياراتها التي تحمل علامة رامبلر في إنتاج نسخ مختلفة من الهيكل الأحادي المتكامل حصريًا.

على الرغم من أن سيارة كرايسلر إيرفلو موديل 1934 كانت تتميز بهيكل وإطار هيكلي أضعف من المعتاد ملحومين بالشاسيه لتوفير الصلابة، إلا أن كرايسلر انتقلت في عام 1960 من تصميم الهيكل المنفصل عن الإطار إلى تصميم الهيكل الموحد لمعظم سياراتها. ^{[ 22 ]}

استخدمت معظم السيارات الأمريكية ذات الهيكل الأحادي صناديق عزم الدوران في تصميمها لتقليل الاهتزازات وانثناء الهيكل، باستثناء سيارة شيفروليه II ، التي كانت تحتوي على مئزر أمامي مثبت بمسامير (يشار إليه خطأً باسم الإطار الفرعي ).

يُعدّ الهيكل الأحادي الآن التصميم المُفضّل لسيارات السوق الشامل. يُوفّر هذا التصميم توفيرًا في الوزن، واستغلالًا أمثل للمساحة، وسهولة في التصنيع. وقد مكّن التطور السريع لأساليب تحليل العناصر المحدودة (FEA) في سبعينيات القرن الماضي المهندسين من تحسين هياكل الهيكل الأحادي بسهولة من حيث القوة، وحماية الركاب في حالة التصادم، والحد الأدنى من استخدام المواد. ازداد الإقبال على هذا التصميم بشكل كبير في أعقاب أزمتي الطاقة في سبعينيات القرن الماضي وأزمة العقد الأول من الألفية الثانية ، حيث خضعت سيارات الدفع الرباعي المدمجة التي تستخدم منصة الشاحنات (وخاصةً في السوق الأمريكية) لمعايير CAFE بعد عام 2005 (وبحلول أواخر العقد الأول من الألفية الثانية، تم التخلص التدريجي من سيارات الدفع الرباعي المدمجة التي تستخدم منصة الشاحنات واستبدالها بسيارات الكروس أوفر). ومن المزايا الإضافية للسيارة ذات الهيكل القوي تحسين حماية الركاب في حالة التصادم.