車架設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系

車架設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系要評(píng)價(jià)車架設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)的好壞，首先應(yīng)該清楚了解的是車輛在行駛時(shí)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，就算有再好的懸掛系統(tǒng)，也無法達(dá)到良好的操控表現(xiàn)。而車架在實(shí)際環(huán)境下要面對(duì)4種壓力。1負(fù)載彎曲(Verticalbending)從字面上就可以十分容易的理解這個(gè)壓力，部分汽車的非懸掛重量(unsprungmass),是由車架承受的，通過*軸傳到地面。而這個(gè)壓力，主要會(huì)集中在軸距的中心點(diǎn)。因此車架底部的縱梁和橫梁(member)，一般都要求較強(qiáng)的剛度。非水平扭動(dòng)(longitudinaltorsion)當(dāng)前后對(duì)角車*遇到道路上的不平而滾動(dòng)，車架的梁柱便要承受這個(gè)縱向扭曲壓力(longitudinaltorsion)，情況就好象要你將一塊塑料片扭曲成螺旋形一樣。橫向彎曲(lateralbending)所謂橫向彎曲，就是汽車在入彎時(shí)重量的慣性(即離心力)會(huì)使車身產(chǎn)生向彎外甩的傾向，而*胎的抓著力會(huì)和路面形成反作用力，兩股相對(duì)的壓力將車架橫向扭曲。水平菱形扭動(dòng)(horizontallozenging)因?yàn)檐囕v在行駛時(shí)，每個(gè)車*因?yàn)槁访婧托旭偳闆r的不同，(路面的鋪設(shè)情況、凹凸起伏、障礙物及進(jìn)出彎角等等)每個(gè)車*會(huì)承受不同的阻力和牽引力，這可以使車架在水平方向上產(chǎn)生推拉以至變形，這種情況就好象將一個(gè)長(zhǎng)方形拉扯成一個(gè)菱形一樣。其實(shí)車架的好壞并非物理指標(biāo)就可以涵蓋，所以即使有超強(qiáng)的新車架出現(xiàn)，最傳統(tǒng)的車架形式依然存在，正因?yàn)榇?，以下的?nèi)容才有了發(fā)布的意義。LadderChassis(梯形車架)梯形車架還有一個(gè)更為人熟知的名稱—陣式車架，是最早出現(xiàn)的車架形式。顧名思義，梯形車架的樣子就好象一條平躺著的梯子由兩條縱向的主粱(longitudinalsidemember)，結(jié)合許多大小(粗細(xì))不同的副橫梁(crossmember)所構(gòu)成的，有些情況還會(huì)加上斜梁(crossbraces)作鞏固。直到上世紀(jì)60年代，它仍然被大部分汽車所采用。隨著不同形式的車架設(shè)計(jì)的誕生，梯形車架應(yīng)用到一般小轎車上的情況越來越少見，(簡(jiǎn)直是罕見！)除了專門的越野車，如Jimmy、Landcrusier或者Trooper等，現(xiàn)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(shè)計(jì)，車架和車殼作非固定連接，在越野行走的時(shí)候，崎嶇的大幅路面上下落差環(huán)境，會(huì)導(dǎo)致車架的大幅扭動(dòng)，如果是一體式車架的話，很有可能隨時(shí)扭到連車廠都不認(rèn)得這是自己造的車?。?！梯形車架的非水平扭曲剛性其實(shí)并不理想，一樣會(huì)產(chǎn)生大幅的扭動(dòng)，分離式車身正好阻止了車殼的扭動(dòng)。另外這種車架的前向抗曲能力(即對(duì)抗前方正面撞擊力的能力)非常的強(qiáng)！所以這款車架仍被越野車普遍的使用。至于商用車由于梯形車架的負(fù)載抗曲能力高，而車架先天造就平臺(tái)造型，無論對(duì)營(yíng)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(yōu)點(diǎn)也造就了它的缺點(diǎn)，平面結(jié)構(gòu)令它的非水平扭曲剛性相對(duì)于一體式車架來的低，而車架的設(shè)計(jì)不善于造就重心水平低的汽車（技術(shù)上完全可行，但是沒有必要）對(duì)于以操控性作為出發(fā)點(diǎn)的汽車這種特性當(dāng)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(gè)車身的外殼本事就屬于車架的一部分。所以它不同于傳統(tǒng)的梯形車架或者管式車架，需要在車架外包裹外殼。事實(shí)上，按嚴(yán)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臺(tái)，其余的如車頂、側(cè)板大小各異，所有的板件都是由高壓壓模機(jī)壓制出來的，利用機(jī)械臂做電焊處理，有的甚至使用激光焊接技術(shù)。整個(gè)制作過程短至數(shù)分鐘便可宣告完成。由此可見，一體式車架之所以那么流行，主要原因是為了適應(yīng)高度機(jī)械化的流水生產(chǎn)作業(yè)大量生產(chǎn)，這樣做可以大大的降低生產(chǎn)成本。而且一體式車架先天擁有良好的撞擊保護(hù)能力，車頭以及車尾加裝副車架一方面有利于吸收撞擊所造成的沖擊力，另一方面對(duì)車架行駛的剛性也有所幫助。其次，一體式車架能夠預(yù)留用以吸收撞擊能量的褶皺區(qū)外，車架本身的包裹式構(gòu)造還可以將褶皺區(qū)域吸收不完的能力經(jīng)過車柱分散到車體的其余部分，避免猛烈撞擊力在瞬間過于集中而對(duì)乘客造成嚴(yán)重的創(chuàng)傷！相對(duì)于其他的車架構(gòu)造，一體式車架沒有高而闊的門欖、防滑動(dòng)支撐架和大型的傳動(dòng)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(chǎn)前的配套投資極其龐大，絕對(duì)不適合小批量生產(chǎn)。比如市場(chǎng)層面較窄的跑車市場(chǎng)，現(xiàn)在只有PORSCHE使用一體式車架。另外一個(gè)明顯的缺陷就是一體式車架因?yàn)槭褂么罅康慕饘伲亓科?。外殼的作用主要是用來營(yíng)造理想的空間效果，而車架的設(shè)計(jì)主要由金屬鋼片構(gòu)成，雖然鋼片已經(jīng)作了開坑的加強(qiáng)韌度處理，但是在物理結(jié)構(gòu)上的剛度，特別是非水平扭動(dòng)（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制作出來的一體式車架是所有車架中剛性表現(xiàn)最不濟(jì)的。順便可以提一下的就是車架的后天改裝問題。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(jié)構(gòu)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(shí)，整個(gè)車架的扭動(dòng)現(xiàn)在被車架中間部分的扭動(dòng)代替了。所以TowerBar及其量只能提高駕駛的感受，至于真正的車架剛性的表現(xiàn)則很難說。但是有一種情況是例外的，那就是原廠在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考量了車架的longitudinaltorsion，加裝towerbar已經(jīng)是設(shè)計(jì)的一部分。ULSABMonocoque（超輕量一體式車架）既然ULSABMonocoque可以單獨(dú)被羅列出來，自然有其獨(dú)到之處。不過首先還是要交代一下它的出生。傳統(tǒng)的一體式車架其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于大量生產(chǎn)成本相對(duì)較低，擁有較強(qiáng)的空間效能同時(shí)撞擊保護(hù)能力較強(qiáng)。缺點(diǎn)是車身沉重，初期投入很高，無法做少量生產(chǎn)。在上世紀(jì)八、九十年代開始，國際汽車的安全規(guī)格開始迅猛的發(fā)展，各大車廠除了發(fā)展不同形式的主/被動(dòng)安全設(shè)備以外，也開始著手于設(shè)計(jì)撞擊剛性更高的車架。雖然當(dāng)時(shí)超級(jí)計(jì)算機(jī)已經(jīng)可以輔助設(shè)計(jì)出理想的車身結(jié)構(gòu)，但是也無可避免的使更多的鋼材被應(yīng)用到車身上，使得車架重量進(jìn)一步增加。制造商為了兼顧汽車的性能和環(huán)保表現(xiàn)，則著手研究別類的車架金屬的應(yīng)用，希望借此克服傳統(tǒng)一體式車架重量偏高的缺點(diǎn)。最為人所知的HONDANSX和AUDIA8就是在那樣的大環(huán)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(jié)構(gòu)板塊、和懸掛搖臂等）來取代傳統(tǒng)的鋼制零件。這對(duì)于許多鋼鐵制造商來說無疑是沉重的打擊，如果汽車工業(yè)越來越趨向于使用鋁金屬的話，他們的生意以及贏利必然會(huì)受到重大的影響。為了避免更多的車廠選用鋁而放棄鋼鐵，一間美國鋼鐵制造商，委托了PORSCHEENGINEERINGSERVICES研發(fā)了新型的鋼制輕量車架技術(shù)，成為了今天的超輕量一體式車架（UltraLightSteelAutoBody）。這也是為什么PORSCHE會(huì)選用一體式車架的原因之一。在結(jié)構(gòu)上，它與傳統(tǒng)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(jiǎn)單的講就是以高水壓壓制。傳統(tǒng)車架用高重量壓模機(jī)壓制的車架模塊，效果就好象用紙蓋著硬幣，然后用鉛筆素出圖案的效果。車架和車殼的板塊因?yàn)閴耗C(jī)的壓制細(xì)膩度有所規(guī)限，整體厚度和設(shè)計(jì)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(bǔ)這個(gè)缺陷，整個(gè)車架在壓制時(shí)會(huì)刻意做的厚一點(diǎn)，就是說用厚一點(diǎn)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(dá)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?yàn)樗膲毫κ瞧骄?，不同的地方所受的壓力同樣是相同。這樣就解決了車架沖壓受力不均的問題，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(tǒng)的一體式車架輕36%，而剛性則提高了50%?，F(xiàn)在BMW3系和OPELASTRA的部分車架都使用這個(gè)技術(shù)。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(gòu)造和特性。關(guān)于碳纖維這個(gè)詞，大多是從賽車報(bào)道中首先遇到的?，F(xiàn)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(jí)的昂貴，不過其實(shí)它和我們身上所穿的化纖襯衫（Rayonshirt）有著相同的淵源?，F(xiàn)在這個(gè)世界上有兩種物質(zhì)可以制造碳纖維，其中一種就是人造絲（Rayon）。Rayon是一種絲質(zhì)的人造纖維，由纖維素（cellulose）所構(gòu)成，而cellulose是構(gòu)成植物主要組成部分的有機(jī)化合物。另外一種能制造碳纖維的物質(zhì)是丙烯酸纖維（Acrylicfiber），學(xué)名應(yīng)該是Polyacronitrile（PAN）。制作碳纖維的方式會(huì)因生產(chǎn)商的不同而稍有不同。以McLarenF1賽車為例，車上的碳纖維板件的制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，然后再以攝氏2600度在鐵爐內(nèi)加熱，使之炭化為碳（Carbon）以及石墨（graphite）。炭化后的纖維會(huì)以每三千條微絲卷成一條0.1mm粗的細(xì)絲，并以之編織成網(wǎng)狀圖案，成為碳纖維布（碳纖維板的高強(qiáng)度就得意于這種單纖維整齊排列、緊密成束的內(nèi)部構(gòu)造）但是如果碳纖維布不再進(jìn)行進(jìn)一步加工，在室溫環(huán)境？揮性既□斕氖倜□□蝕蘇庵痔枷宋□家話憒娣旁諏閬?8度的冷柜里，這樣壽命可以延長(zhǎng)到18個(gè)月。碳纖維布之所以不馬上加工成為碳纖維板，是因?yàn)檐嚿淼牟煌考?duì)碳纖維板的性質(zhì)要求略有不同，有些碳纖維板用于車身結(jié)構(gòu)上直接受力，而有些則用在阻流器上，有些則要經(jīng)過特別的耐高溫處理。（其實(shí)碳纖維板已經(jīng)比普通的鋼材耐高溫，而且在一定的溫度范圍了，隨著溫度的上升，它的強(qiáng)度會(huì)逐漸的增大。一般鋼在攝氏635度就會(huì)軟化，當(dāng)溫度進(jìn)一步上升到攝氏1400度，鋼材就會(huì)開始融化，而碳纖維材料卻在攝氏20~2000度之間都保持持續(xù)的強(qiáng)度上升。）一般加工碳纖維板，都要將板件在模具中成型時(shí)加入合成樹脂（resin）。而不同的板件性質(zhì)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制模具中，將適合的合成樹脂涂滿碳纖維布，然后放到熔爐中以不同的溫度、時(shí)間和壓力溶制，令碳纖維融合，成為堅(jiān)韌的碳纖維板件。世界上有大小不同的碳纖維制造商，而專為汽車制造的碳纖維普遍只有幾種，當(dāng)中以高韌度和重量比例見長(zhǎng)的一種叫作Kelvar。Kelvar由著名的杜邦化工開發(fā)的，用途主要是汽車、賽車乃至飛行員的頭盔?？偟膩碚f，碳纖維和傳統(tǒng)鋼材比較，其性能具有壓倒性的優(yōu)勢(shì)，密度要比鋼材低4倍左右，而強(qiáng)度和硬度都是鋼材的兩倍。但是其實(shí)碳纖維也非完美的材料，雖然它很堅(jiān)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(yīng)用于汽車是80年代初的事，當(dāng)時(shí)的FIA允許GroupB賽車使用任何汽車技術(shù)于賽車之上，唯一的限制是有關(guān)的賽車必須生產(chǎn)200輛民用版本公開發(fā)售，以次作為推動(dòng)汽車發(fā)展的動(dòng)力，同時(shí)也限制了過于離奇的技術(shù)所造成的不公平競(jìng)爭(zhēng)。于是在那時(shí)，陸續(xù)出現(xiàn)了許多使用碳纖維部件的跑車，例如Ferrari288GTOPORSCHE959，不過當(dāng)時(shí)碳纖維的使用僅僅用于車身的板件，而目的也僅僅限于減輕賽車的重量，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(dāng)時(shí)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(xiàn)的一體式碳纖維車架不難猜出是出自于F1賽場(chǎng)，1981年McLarenMP4/1的設(shè)計(jì)師JohnBarnard設(shè)計(jì)了全世界第一個(gè)一體式碳纖維車架，而在超級(jí)跑車的行列中現(xiàn)在應(yīng)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(bǔ)強(qiáng)方面使用碳纖維，更多的是使用在裝飾部分上。在結(jié)構(gòu)上，一體式碳纖維車架沒有即定的格局，幾乎每輛車都根據(jù)自己整體的情況特別設(shè)計(jì)車架，其中值得一提的F50，F(xiàn)50的車架有一個(gè)很大的特色，就是后懸掛直接連接在引擎及變速箱上，然后才將整個(gè)引擎懸掛結(jié)構(gòu)嵌入車體內(nèi)。籍此F50的車架只重102kg，而抗扭度高達(dá)沒有人性的3550kgm/degree。這種設(shè)計(jì)可以營(yíng)造極輕量的懸掛重量，但是無可避免的回有較大的引擎震蕩傳入車廂。碳纖維的制作成本已經(jīng)從數(shù)年前的100美元/公斤下降到了約5美元/公斤，可見只要解決批量生產(chǎn)的問題（碳纖維的鑄造主要依賴手工，屬于勞動(dòng)密集型生產(chǎn)）碳纖維很快就會(huì)被使用于民用汽車。AluminumSpace-frame（鋁管式車架）89年面市的NSX十分明顯的是一體式的結(jié)構(gòu)，只是車架的材料由鋁取代了傳統(tǒng)的鋼材。雖然HONDA和AUDI為了誰是最早采用全鋁制車架的車廠至今糾纏不清，不過這也許并不重要，所以也沒有必要在這里討論。其實(shí)鋁管車架也有多種形式，所以我就挑兩種最具代表性的形式加以介紹。AUDISPACEFRAME(ASF)上一代A8在94年推出，重點(diǎn)技術(shù)便是和美國制鋁商Alcoa合作開發(fā)的鋁管式車架。雖然從名字看鋁管車架更似鋼管車架，不過，鋁管車架并沒有像鋼管車架般用交錯(cuò)的鋼管支撐車身的結(jié)構(gòu)，而是和一體式車架極其相似，。以A8和A2為例，它們的ASF車架結(jié)構(gòu)在外型上基本是一體式的構(gòu)造，車架本身已經(jīng)勾勒了車身的線條，與一體式車架稍有不同的是少了一些一體壓制的車身板件，取而代之的是增加大量的管狀結(jié)構(gòu)分布，如果足夠仔細(xì)的觀察A8的車架圖，不難發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)。ASF的制造成本不低，主要是模件壓制的機(jī)器和水壓模制技術(shù)的投資，焊接技術(shù)所投放的資金也是原因之一。但是鋁制車架一方面更輕量化，一方面防銹；同時(shí)鋁材幾乎可以全部回收再利用，這無疑具有重大的環(huán)保意義，就這三點(diǎn)ASF已經(jīng)具備足夠的存在意義。根據(jù)AUDI公布的數(shù)據(jù)，使用ASF的A8比使用傳統(tǒng)一體式鋼制車架的車輛能減輕高達(dá)40%的車架重量，與此同時(shí)整體車架的剛度也有40%的增加。ASF已經(jīng)進(jìn)入了第二代的技術(shù)，車架的部件全部由高剛韌度鋁合金以高壓吸塑、真空整裁或片狀構(gòu)成制造，并以小鋼釘以非單一的焊接方式焊接而成。比起上一代的A8車架，新技術(shù)盡量使用大一點(diǎn)的框架，減少框架內(nèi)使用鋁管的數(shù)量，相對(duì)也可以節(jié)省焊接的焊接點(diǎn)與時(shí)間。在焊接技術(shù)上也增加了激光的使用范圍，雖然成本已較第一代有所下降，可是工序與技術(shù)始終同樣復(fù)雜，所以成本始終較普通的一體式車架高出很多。但是毫無疑問，只要能夠大量的生產(chǎn)，盡量降低成本，ASF鋁管車架是很好的車架設(shè)計(jì)。LotusAluminumChassis對(duì)于產(chǎn)量偏低的蓮話車廠來說，搞鋁車架搞到像AUDIASF這樣的層面是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)樵诔杀旧线@完全超越了車廠的承受范圍。但是輕量化始終是LOTUS的靈魂，所以車廠求助于丹麥鋁窗制造商HydroAluminum，希望憑借該廠對(duì)鋁材性能的了解，能降低成本制造輕量化同時(shí)堅(jiān)固無比的跑車車架。ELISE身上革命性的鋁制車架，利用擠壓方式(Extrusion)將車架模件擠壓成型，不過它最正點(diǎn)的地方在于Hydroaluminum發(fā)現(xiàn)，只要在鋁件接合面上做化學(xué)處理，便可以用環(huán)氧樹脂(Epoxy)將鋁件剛硬的結(jié)合起來，而且使用在這個(gè)車架上的環(huán)氧樹脂也是特別發(fā)展出來的，堅(jiān)固度高的出奇。配合鋼釘固定，使整個(gè)車架的抗扭曲度高達(dá)沒有人性的1122kgm/degree也就是說，要使車架扭曲1度，用一根一米長(zhǎng)的杠桿以1122kg的力量扭動(dòng)下去!!!!！并且據(jù)原廠修理ELISE的技師稱，即使經(jīng)過撞擊而車架扭曲的ELISE也沒有一處結(jié)合環(huán)氧樹脂的地方崩斷。不過使用環(huán)氧樹脂的意義還不止于此，另一個(gè)重點(diǎn)在于，能夠避免以焊接方式接合鋁件，好處是可以用上薄一點(diǎn)的鋁材，這樣可以進(jìn)一步的減低車架的重量，因?yàn)楹附拥慕狱c(diǎn)往往是車架最薄弱的地方，要解決這個(gè)問題，就不得不使用厚一點(diǎn)的鋁材作彌補(bǔ)。所以，同樣使用鋁管車架設(shè)計(jì)的RenaultSportSpider，以焊接方式接合車架，但在重量、抗扭曲度和擠壓厚度的表現(xiàn)上都及不上ELISE。ELISE SPORTSPIDER車架重量65kg 80kg抗扭曲度11000Nu/degree 10000Nu/degree

擠壓厚度1.5mm擠壓厚度1.5mm3.0mm從賽車的角度看，ELISE的鋁管車架是優(yōu)質(zhì)而有創(chuàng)見的。然而，一個(gè)以碳纖維制造的（撞擊盒）已經(jīng)預(yù)設(shè)在車頭部分，作用是用以減輕前方撞擊時(shí)的損毀程度，但是這個(gè)車架設(shè)計(jì)卻不善于吸收撞擊能量，車架一旦撞擊扭曲，維修費(fèi)用都會(huì)高的驚人，同時(shí)修復(fù)工作也非常的復(fù)雜，因而往往令它不被修理就直接報(bào)銷。另一方面，有一個(gè)廣為人知的事實(shí)就是，鋁金屬在受熱到一定的程度后就會(huì)開始燃燒。如果引擎有漏油情況的話，點(diǎn)起輕微的火舌，而一旦發(fā)現(xiàn)的稍遲后肢車上沒有滅火器的話，加上纖維車身助燃，火勢(shì)隨時(shí)一觸即發(fā)，燒到連渣都不剩。所以用鋁制車架的車內(nèi)最好常備一只滅火器。至于AUDIASF的身上有沒有這樣的隱患，或者在車架設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)克服了這樣的問題，暫時(shí)我也沒有足夠的資料下定論。Glass-fiberbody（玻璃纖維車架）也許很多人沒有聽說過玻璃纖維車架，其實(shí)這個(gè)世界上也只有一輛車使用過玻璃纖維車架，不過，玻璃纖維大量的被運(yùn)用到汽車上是不爭(zhēng)的事實(shí)，所以就當(dāng)追憶古人，在這里談一談玻璃纖維車架。對(duì)不少的汽車界專業(yè)人士而言，玻璃纖維是極其理想的制車材料。它比鋼甚至鋁更輕巧，可塑性高，也不需要擔(dān)心生銹的