Лонжерон

Лонжерон — это продольный силовой элемент конструкции, воспринимающий изгибающие и сжимающие нагрузки, распределяющий их на другие части каркаса и обеспечивающий общую жёсткость и геометрическую неизменяемость объекта. Лонжероны являются основой несущей системы во многих видах техники — от автомобилей и самолётов до мостов и зданий. Термин происходит от французского longeron (от long — «длинный»).

История

Принцип продольных несущих балок известен с древности: в деревянном судостроении киль и стрингеры выполняли роль лонжеронов. Однако как отдельный конструктивный элемент лонжерон начал выделяться в XIX веке с развитием металлических каркасов.

В авиации лонжероны стали применяться с первых лет постройки самолётов. Первые бипланы братьев Райт (1903) имели деревянные лонжероны крыльев. В 1910-х годах, с переходом к монопланам, лонжероны стали ключевыми элементами крыла. В 1930-е годы, с появлением цельнометаллических конструкций (например, самолёт А. Н. Туполева АНТ-25), алюминиевые лонжероны вытеснили деревянные.

В автомобилестроении лонжеронная рама была доминирующей конструкцией до середины XX века. Первые серийные автомобили, такие как Ford Model T (1908), имели лонжеронные рамы. С 1950-х годов в легковых автомобилях начался переход на несущие кузова, где лонжероны стали частью кузовной конструкции, а не отдельной рамы.

Классификация

Лонжероны классифицируют по нескольким признакам.

По назначению и расположению

• Авиационные лонжероны — основные силовые элементы крыла, оперения и фюзеляжа. В крыле они проходят вдоль размаха, воспринимая изгиб от подъёмной силы и массы.
• Автомобильные лонжероны — продольные балки рамы или кузова. В рамных внедорожниках и грузовиках они образуют две параллельные балки, соединённые поперечинами. В легковых автомобилях с несущим кузовом лонжероны интегрированы в пол и пороги.
• Судовые лонжероны — продольные балки набора корпуса (стрингеры, кильсоны), обеспечивающие продольную прочность.
• Строительные лонжероны — продольные несущие элементы мостов, кранов, каркасов зданий.

По форме поперечного сечения

• Двутавровые — наиболее распространённый тип в авиации и машиностроении. Обеспечивают высокую жёсткость при малой массе.
• Коробчатые (замкнутые) — образованы двумя стенками и двумя поясами. Применяются в тяжёлых конструкциях (рамы грузовиков, крылья больших самолётов).
• Швеллерные — П-образное сечение. Используются в автомобильных рамах и строительных конструкциях.
• Трубчатые — круглые или овальные. Применяются в гоночных автомобилях (пространственные рамы) и в авиации (лонжероны фюзеляжа).
• Монолитные — фрезерованные из цельной заготовки. Используются в современной авиации для снижения числа соединений.

По материалу

• Деревянные — исторически применялись в ранней авиации и автостроении. Сейчас — в малой авиации и реставрации.
• Металлические — из алюминиевых сплавов (авиация), сталей (автомобили, строительство), титановых сплавов (высоконагруженные узлы).
• Композитные — из углепластика или стеклопластика. Современные самолёты (Boeing 787, Airbus A350) и спортивные автомобили имеют композитные лонжероны.
• Гибридные — сочетание металла и композита (например, стальной лонжерон с углепластиковыми накладками).

Устройство и конструкция

Лонжерон состоит из двух основных частей:

• Пояса — верхняя и нижняя полки, воспринимающие растяжение и сжатие. В двутавровом сечении пояса — это горизонтальные элементы.
• Стенка — вертикальная часть, соединяющая пояса и воспринимающая касательные напряжения (сдвиг).

В авиационном крыле лонжероны могут быть балочными (сплошная стенка) или ферменными (стенка заменена решёткой из раскосов). В автомобильной раме лонжероны часто имеют переменное сечение: в зоне передней подвески они шире и выше, в средней части — уже, чтобы разместить кузов.

Применение

В авиации

Лонжерон — основа конструкции крыла. В крыле обычно устанавливают от одного до трёх лонжеронов. Передний лонжерон воспринимает основную изгибающую нагрузку, задний — крутящий момент. К лонжеронам крепятся нервюры, обшивка, топливные баки, шасси и двигатели (в случае крыльевого расположения). В фюзеляже лонжероны (стрингеры) идут вдоль корпуса и вместе со шпангоутами образуют силовой набор.

В автомобилестроении

• Рамные автомобили: лонжероны — две продольные балки, соединённые поперечинами. На них устанавливаются двигатель, трансмиссия, подвеска и кузов. Типичные примеры: УАЗ-469, Toyota Land Cruiser, грузовики КамАЗ.
• Несущие кузова: лонжероны интегрированы в структуру кузова. Они проходят под порогами, в моторном отсеке и в задней части. При аварии лонжероны принимают на себя энергию удара, деформируясь и защищая пассажиров (зоны программируемой деформации).
• Спортивные автомобили: в монококах «Формулы-1» лонжероны являются частью углепластикового шасси.

В судостроении

Лонжероны (стрингеры) — продольные балки, идущие вдоль корпуса судна. Они обеспечивают продольную прочность при изгибе корпуса на волне. В деревянном судостроении лонжероном называют продольный брус, соединяющий шпангоуты.

В строительстве

Лонжероны применяются в мостовых фермах, подкрановых балках, каркасах ангаров и выставочных павильонов. В металлических мостах лонжероны — это продольные балки, по которым укладывается проезжая часть.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая несущая способность при относительно малой массе (особенно у двутавровых и коробчатых сечений).
• Технологичность — лонжероны можно изготавливать прокаткой, сваркой, ковкой, фрезерованием.
• Ремонтопригодность — повреждённый лонжерон можно заменить или усилить.

Недостатки

• Ограничение компоновки — продольные балки занимают пространство, которое могло бы быть использовано для багажника или салона (в автомобилях).
• Масса — в сравнении с монококовыми конструкциями лонжеронные рамы тяжелее.
• Сложность проектирования — требуется точный расчёт нагрузок и распределения напряжений.

Интересные факты

• В самолёте Ан-225 «Мрия» (разрушен в 2022 году) лонжероны крыла были одними из самых крупных в мире — длиной около 40 метров каждый.
• В автомобилестроении лонжеронная рама до сих пор используется в пикапах и внедорожниках из-за высокой прочности и возможности эксплуатации по бездорожью.
• В авиации лонжероны крыла часто выполняют роль топливных баков — внутренняя полость герметизируется и заполняется керосином.
• В гоночных автомобилях «Формулы-1» лонжероны изготавливаются из углепластика с сотовым заполнителем, что позволяет достичь жёсткости, близкой к стали, при массе в несколько раз меньше.

Источники

• Авиационные конструкции. Под ред. А. Л. Гиммельфарба. — М.: Машиностроение, 1985.
• Конструкция автомобиля. Рамы и кузова. В. А. Петров. — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010.
• Сопротивление материалов. Н. М. Беляев. — М.: Наука, 1976.
• Строительная механика самолёта. А. М. Крылов. — М.: Оборонгиз, 1958.
• Энциклопедия «Авиация». ЦАГИ. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1994.