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車架也稱大梁。汽車的基體,一般由兩根縱梁和幾根橫樑組成,經由懸挂裝置﹑前橋﹑後橋支承在車輪上。具有足夠的強度和剛度以承受汽車的載荷和從車輪傳來的衝擊。車架設計和結構的好壞,首先應該清楚了解的是車輛在行駛時車架所要承受的各種不同的力。如果車架在某方面的韌性不佳,就算有再好的懸挂系統,也無法達到良好的操控表現。而車架在實際環境下要面對4種壓力。影響車架剛性的外力,通常是來自於路面摩擦力以及加減速或過彎時產生的G值。早期的汽車由於引擎及底盤設計不像現在發達,輪胎的抓地力也不如今日優異,因此車架剛性的重要性並不容易被關注。


1 車架 -早期車架

車架車架
「車架」這個名稱原本是從法文的「Chassis」衍生而來的,早期汽車所使用的車架,大多都是由籠狀的鋼骨樑柱所構成的,也就是在兩支平行的主樑上,以類似階梯的方式加上許多左右相連的副梁製造而成。車體建構在車架之上,至於車門、沙板、引擎蓋、行李廂蓋等鈑件,則是另外再包覆於車體之外,因此車體與車架其實是屬於兩個獨立的構造。這種設計的最大好處,在於輕量化與剛性得以同時兼顧,因此受到了不少跑車製造商的青睞,早期的法拉利與蘭博基尼都是採用的這種設計。

由於鋼骨設計的車架必須通過許多接點來連結主梁和副梁,加之籠狀構造也無法騰出較大的空間,因此除了製造上比較複雜、不利於大量生產之外,也不適合用在強調空間的四門房車上。隨後單體結構的車架在車壇上成為主流,籠狀的鋼骨車架也逐漸改由這種將車體與車架合二為一的單體車架所取代,這種單體車架一般以「底盤」稱之,也就是衍生自英文的「Platform」。

2 車架 -車架設計

車架車架
要評價車架設計和結構的好壞,首先應該清楚了解的是車輛在行駛時車架所要承受的各種不同的力。如果車架在某方面的韌性(stiffness)不佳,就算有再好的懸挂系統,也無法達到良好的操控表現。而車架在實際環境下要面對4種壓力。

1.負載彎曲(Verticalbending)
從字面上就可以十分容易的理解這個壓力,部分汽車的非懸挂重量(unsprungmass),是由車架承受的,通過輪軸傳到地面。而這個壓力,主要會集中在軸距的中心點。因此車架底部的縱梁和橫樑(member),一般都要求較強的剛度。

2.非水平扭動(longitudinaltorsion)
當前後對角車輪遇到道路上的不平而滾動,車架的樑柱便要承受這個縱向扭曲壓力(longltudinaltorsion),情況就好像要你將一塊塑料片扭曲成螺旋形一樣。

3.橫向彎曲(lateralbending)
所謂橫向彎曲,就是汽車在入彎時重量的慣性(即離心力)會使車身產生向彎外甩的傾向,而輪胎的抓著力會和路面形成反作用力,兩股相對的壓力將車架橫向扭曲。

4.水平菱形扭動(horizontallozenging)
因為車輛在行駛時,每個車輪因為路面和行駛情況的不同,(路面的鋪設情況、凹凸起伏、障礙物及進出彎角等等)每個車輪會承受不同的阻力和牽引力,這可以使車架在水平方向上產生推拉以至變形,這種情況就好像將一個長方形拉扯成一個菱形一樣。

實車架的好壞並非物理指標就可以涵蓋,所以即使有超強的新車架出現,最傳統的車架形式依然存在,正因為此,以下的內容才有了發布的意義。

3 車架 -車架剛性

車架車架
很多人都知道剛性的良好與否會直接影響到一部車的操控,但是所謂的車架剛性究竟指的是什麼?而剛性不足又會帶來哪些後果呢?簡單的說,車架所要求的剛性其實就建構在車架的抗變形能力上,也就是指車架對於受外力影響而彎曲或扭轉的抗力。一旦車架剛性不足,操控性便會受到影響。試想前輪因車架變形而導致轉向時出現時間差,或是輪胎與路面的接地性不良而影響到循跡性與抓地力等,肯定都會使操縱性無法發揮出原有的水準。

影響車架剛性的外力,通常是來自於路面摩擦力以及加減速或過彎時產生的G值。早期的汽車由於引擎及底盤設計不像現在發達,輪胎的抓地力也不如今日優異,因此車架剛性的重要性並不容易被關注。但是近年來市售車所搭載的引擎已有不錯的動力,許多車都擁有200km/h以上的極速,而且除了輪胎進化成抓地力更好的輻射層構造,低扁平比薄胎與大直徑化的設定也成為了市場的主流,因此在動力有所提升、輪胎與懸挂所承受的負荷增大並且轉移至車架的情況下,車架本身承受的負荷肯定也會大幅提高,而車架剛性的良好與否也就顯得更為重要。

4 車架 -操作壓力

車架車架
1)負載彎曲(Vertical bending)
從字面上就可以十分容易的理解這個壓力,部分汽車的非懸挂重量(unsprung mass),是由車架承受的,通過輪軸傳到地面。而這個壓力,主要會集中在軸距的中心點。因此車架底部的縱梁和橫樑(member),一般都要求較強的剛度。

2)非水平扭動(longitudinal torsion)
當前後對角車輪遇到道路上的不平而滾動,車架的樑柱便要承受這個縱向扭曲壓力(longltudinal torsion),情況就好像要你將一塊塑料片扭曲成螺旋形一樣。

3)橫向彎曲(lateral bending)
所謂橫向彎曲,就是汽車在入彎時重量的慣性(即離心力)會使車身產生向彎外甩的傾向,而輪胎的抓著力會和路面形成反作用力,兩股相對的壓力將車架橫向扭曲。

4)水平菱形扭動(horizontal lozenging)
因為車輛在行駛時,每個車輪因為路面和行駛情況的不同,(路面的鋪設情況、凹凸起伏、障礙物及進出彎角等等)每個車輪會承受不同的阻力和牽引力,這可以使車架在水平方向上產生推拉以至變形,這種情況就好像將一個長方形拉扯成一個菱形一樣。

5 車架 -分類

車架車架
LadderChassis(梯形車架)

梯形車架還有一個更為人熟知的名稱—陣式車架,是最早出現的車架形式。顧名思義,梯形車架的樣子就好像一條平躺著的梯子由兩條縱向的主粱(longitudinalsidemember),結合許多大小(粗細)不同的副橫樑 (crossmember)所構成的,有些情況還會加上斜梁(crossbraces)作鞏固。直到上世紀60年代,它仍然被大部分汽車所採用。隨著不同形式的車架設計的誕生,梯形車架應用到一般小轎車上的情況越來越少見,除了專門的越野車,如Jimmy、Landcrusier或者Trooper等,現在只有商用車才使用梯形車架。
越野車使用梯形車架主要是看中它車身和底盤分離的設計,車架和車殼作非固定連接,在越野行走的時候,崎嶇的大幅路面上下落差環境,會導致車架的大幅扭動,如果是一體式車架的話,很有可能隨時扭到連車廠都不認得這是自己造的車!梯形車架的非水平扭曲剛性其實並不理想,一樣會產生大幅的扭動,分離式車身正好阻止了車殼的扭動。另外這種車架的前向抗曲能力(即對抗前方正面撞擊力的能力)非常的強!所以這款車架仍被越野車普遍的使用。
至於商用車由於梯形車架的負載抗曲能力高,而車架先天造就平台造型,無論對營造車廂空間還是栽貨空間都有極其正面的作用。
梯形車架的優點也造就了它的缺點,平面結構令它的非水平扭曲剛性相對於一體式車架來的低,而車架的設計不善於造就重心水平低的汽車(技術上完全可行,但是沒有必要)對於以操控性作為出發點的汽車這種特性當然與他們的宗旨背道而馳。

Monocoque(一體式金屬車架)
顧名思義,使用一體式車架的汽車,整個車身的外殼本事就屬於車架的一部分。所以它不同於傳統的梯形車架或者管式車架,需要在車架外包裹外殼。
事實上,按嚴格的定義來說,一體式車架都是由不同的組件裝嵌而成的,其中最大的一塊就是地台,其餘的如車頂、側板大小各異,所有的板件都是由高壓壓模機壓制出來的,利用機械臂做電焊處理,有的甚至使用激光焊接技術。整個製作過程短至數分鐘便可宣告完成。
由此可見,一體式車架之所以那麼流行,主要原因是為了適應高度機械化的流水生產作業大量生產,這樣做可以大大的降低生產成本。而且一體式車架先天擁有良好的撞擊保護能力,車頭以及車尾加裝副車架一方面有利於吸收撞擊所造成的衝擊力,另一方面對車架行駛的剛性也有所幫助。其次,一體式車架能夠預留用以吸收撞擊能量的褶皺區外,車架本身的包裹式構造還可以將褶皺區域吸收不完的能力經過車柱分散到車體的其餘部分,避免猛烈撞擊力在瞬間過於集中而對乘客造成嚴重的創傷!相對於其他的車架構造,一體式車架沒有高而闊的門欖、防滑動支撐架和大型的傳動軸管道等,空間的利用率極高。
凡事總有正反兩面,一體式車架生產前的配套投資極其龐大,絕對不適合小批量生產。比如市場層面較窄的跑車市場,現在只有PORSCHE使用一體式車架。
另外一個明顯的缺陷就是一體式車架因為使用大量的金屬,重量偏高。外殼的作用主要是用來營造理想的空間效果,而車架的設計主要由金屬鋼片構成,雖然鋼片已經作了開坑的加強韌度處理,但是在物理結構上的剛度,特別是非水平扭動 (longitudinaltorsion),始終不及鋼管式車架。如果以重量和剛性比來作比較的話,使用同等金屬重量所製作出來的一體式車架是所有車架中剛性表現最不濟的。
順便可以提一下的就是車架的後天改裝問題。坊間流行為汽車加Bar也不是一天兩天了,但是無論是頂塔或者底塔,增加的只是車體上部分空間結構的剛性,但是車體其他部分的抗扭度依然沒有絲毫的提高,也就是說,原來過彎時,整個車架的扭動現在被車架中間部分的扭動代替了。所以TowerBar及其量只能提高駕駛的感受,至於真正的車架剛性的表現則很難說。但是有一種情況是例外的,那就是原廠在設計時已經考量了車架的longitudinaltorsion,加裝towerbar已經是設計的一部分。

車架車架
ULSABMonocoque(超輕量一體式車架)

既然ULSABMonocoque可以單獨被羅列出來,自然有其獨到之處。不過首先還是要交代一下它的出生。
傳統的一體式車架其優點是對於大量生產成本相對較低,擁有較強的空間效能同時撞擊保護能力較強。缺點是車身沉重,初期投入很高,無法做少量生產。在上世紀八、九十年代開始,國際汽車的安全規格開始迅猛的發展,各大車廠除了發展不同形式的主/被動安全設備以外,也開始著手於設計撞擊剛性更高的車架。雖然當時超級計算機已經可以輔助設計出理想的車身結構,但是也無可避免的使更多的鋼材被應用到車身上,使得車架重量進一步增加。製造商為了兼顧汽車的性能和環保表現,則著手研究別類的車架金屬的應用,希望藉此克服傳統一體式車架重量偏高的缺點。最為人所知的HONDANSX和AUDIA8就是在那樣的大環境下開始使用全鋁合金一體式車架的。而更多的車廠在使用部分的鋁合金零件(如汽缸體、副車架、車身結構板塊、和懸挂搖臂等)來取代傳統的鋼製零件。這對於許多鋼鐵製造商來說無疑是沉重的打擊,如果汽車工業越來越趨向於使用鋁金屬的話,他們的生意以及贏利必然會受到重大的影響。為了避免更多的車廠選用鋁而放棄鋼鐵,一間美國鋼鐵製造商,委託了PORSCHEENGINEERINGSERVICES研發了新型的鋼製輕量車架技術,成為了今天的超輕量一體式車架(UltraLightSteelAutoBody)。這也是為什麼PORSCHE會選用一體式車架的原因之一。
在結構上,它與傳統的一體式車架無異。輕量化的主要原因是車的板塊由Hydroform形式壓制,簡單的講就是以高水壓壓制。傳統車架用高重量壓模機壓制的車架模塊,效果就好像用紙蓋著硬幣,然後用鉛筆素出圖案的效果。車架和車殼的板塊因為壓模機的壓制細膩度有所規限,整體厚度和設計的厚度有一定的出入,尤其在彎角和邊緣的位置,在壓制后肯定是最薄弱的地方。為了彌補這個缺陷,整個車架在壓制時會刻意做的厚一點,就是說用厚一點的鋼板去遷就這些最薄弱的位置都符合最低的厚度要求,從而達到剛度要求。
Hydroform利用極高的水壓,將鋼材壓迫成所需的車架形狀。因為水的壓力是平均的,不同的地方所受的壓力同樣是相同。這樣就解決了車架衝壓受力不均的問題,車架便可以造得更薄了。
ULSAB在98年公布了一份申明,PorscheEngineeringServices聲稱它比傳統的一體式車架輕36%,而剛性則提高了50%。現在BMW3系和OPELASTRA的部分車架都使用這個技術。

Carbon-fibermonocoque(一體式碳纖維車架)
想解釋清楚這種車架,就必須首先解釋一下碳纖維的構造和特性。
關於碳纖維這個詞,大多是從賽車報道中首先遇到的。現在的F1賽車身上90%為合成物料,而這些合成物料中90%就是碳纖維!不過非常有趣的是,雖然F1賽車上的這些碳纖維部件超級的昂貴,不過其實它和我們身上所穿的化纖襯衫(Rayonshirt)有著相同的淵源。
現在這個世界上有兩種物質可以製造碳纖維,其中一種就是人造絲(Rayon)。Rayon是一種絲質的人造纖維,由纖維素(cellulose)所構成,而cellulose是構成植物主要組成部分的有機化合物。另外一種能製造碳纖維的物質是丙烯酸纖維(Acrylicfiber),學名應該是Polyacronitrile(PAN)。
製作碳纖維的方式會因生產商的不同而稍有不同。以McLarenF1賽車為例,車上的碳纖維板件的製作過程大致是先將人造絲或者丙烯纖維放在熱框架上加熱到攝氏250度,然後再以攝氏2600度在鐵爐內加熱,使之炭化為碳(Carbon)以及石墨 (graphite)。炭化后的纖維會以每三千條微絲捲成一條0.1mm粗的細絲,並以之編織成網狀圖案,成為碳纖維布(碳纖維板的高強度就得意於這種單纖維整齊排列、緊密成束的內部構造)但是如果碳纖維布不再進行進一步加工,在室溫環境下只有約三天的壽命,故此這種碳纖維布一般存放在零下18度的冷櫃里,這樣壽命可以延長到18個月。
車架車架
碳纖維布之所以不馬上加工成為碳纖維板,是因為車身的不同部件對碳纖維板的性質要求略有不同,有些碳纖維板用於車身結構上直接受力,而有些則用在阻流器上,有些則要經過特別的耐高溫處理。(其實碳纖維板已經比普通的鋼材耐高溫,而且在一定的溫度範圍了,隨著溫度的上升,它的強度會逐漸的增大。一般鋼在攝氏635度就會軟化,當溫度進一步上升到攝氏1400度,鋼材就會開始融化,而碳纖維材料卻在攝氏20~2000度之間都保持持續的強度上升。)一般加工碳纖維板,都要將板件在模具中成型時加入合成樹脂(resin)。而不同的板件性質就是由與加入不同的合成樹脂所造成的。
加工碳纖維板的工作方法雖然有多種,但是基本工序都一樣,都是將碳纖維布放置在加工模型的鋁製模具中,將適合的合成樹脂塗滿碳纖維布,然後放到熔爐中以不同的溫度、時間和壓力溶制,令碳纖維融合,成為堅韌的碳纖維板件。
世界上有大小不同的碳纖維製造商,而專為汽車製造的碳纖維普遍只有幾種,當中以高韌度和重量比例見長的一種叫作Kelvar。Kelvar由著名的杜邦化工開發的,用途主要是汽車、賽車乃至飛行員的頭盔。
總的來說,碳纖維和傳統鋼材比較,其性能具有壓倒性的優勢,密度要比鋼材低4倍左右,而強度和硬度都是鋼材的兩倍。但是其實碳纖維也非完美的材料,雖然它很堅韌,但是卻有受力向度的問題,也即是說,整體中的某些部位不太能受力。
碳纖維應用於汽車是80年代初的事,當時的FIA允許GroupB賽車使用任何汽車技術於賽車之上,唯一的限制是有關的賽車必須生產200輛民用版本公開發售,以次作為推動汽車發展的動力,同時也限制了過於離奇的技術所造成的不公平競爭。於是在那時,陸續出現了許多使用碳纖維部件的跑車,例如Ferrari288GTOPORSCHE959,不過當時碳纖維的使用僅僅用於車身的板件,而目的也僅僅限於減輕賽車的重量,碳纖維板本身根本沒有提供任何的車身剛性。更別說一體式碳纖維車架了,當時的959使用的是一體金屬車架,而288GTO、F40、 DIABLO使用的都是鋼管式車架。
最早出現的一體式碳纖維車架不難猜出是出自於F1賽場,1981年McLarenMP4/1的設計師JohnBarnard設計了全世界第一個一體式碳纖維車架,而在超級跑車的行列中現在應該只有4輛使用的是一體式碳纖維車架。它們分別是 McLarenF1FerrariF50FerrariEnzoBugattiEB110SS(EB110GT不是使用一體式碳纖維車架的)。而其他聲稱使用碳纖維的跑車最多不過在車架補強方面使用碳纖維,更多的是使用在裝飾部分上。
就像人的身體由骨架來支持一樣,汽車也必須有一幅骨架,這就是車架。車架的作用是承受載荷,包括汽車自身零部件的重量和行駛時所受的衝擊、扭曲、慣性力等。現有的車架種類有大梁式、承載式、鋼管式及特殊材料一體成型式等。
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