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车架是汽车设计的重要课题,它几乎比引擎更重要,因为它的好坏直接关系到车的一切性能(操控、性能、安全、舒适等等)。
评价车架设计和结构的好坏,首先应该清楚了解的是车辆在行驶时车架所要承受的各种不同的力。如果车架在某方面的韧性不佳,就算有再好的悬挂系统,也无法达到良好的操控表现。而车架在实际环境下要面对4种压力。
1.负载弯曲(Vertical bending)
2.非水平扭动(longitudinal torsion)
3.横向弯曲(lateral bending)
4.水平菱形扭动(horizontal lozenging)
其实车架的好坏并非物理指标就可以涵盖,所以即使有超强的新车架出现,传统的车架形式依然存在。
1.Ladder Chassis(梯形车架)
越野车使用梯形车架主要是看中它车身和底盘分离的设计,车架和车壳作非固定连接,在越野行走的时候,崎岖的大幅路面上下落差环境,会导致车架的大幅扭动,如果是一体式车架的话,很有可能随时扭到连车厂都不认得这是自己造的车了。梯形车架的非水平扭曲刚性其实并不理想,一样会产生大幅的扭动,分离式车身正好阻止了车壳的扭动。另外这种车架的前向抗弯曲能力(即对抗前方正面撞击力的能力)非常的强!所以这款车架仍被越野车普遍的使用。
至于商用车由于梯形车架的负载抗弯曲能力高,而车架先天造就平台造型,无论对营造车厢空间还是载货空间都有极其正面的作用。
梯形车架的优点也造就了它的缺点,平面结构令它的非水平扭曲刚性相对于一体式车架来的低,而车架的设计不善于造就重心水平低的汽车(技术上xx可行,但是没有必要)。对于以操控性作为出发点的汽车这种特性当然与他们的宗旨背道而驰。
2.Monocoque(一体式金属车架)
顾名思义,使用一体式车架的汽车,整个车身的外壳本身就属于车架的一部分。所以它不同于传统的梯形车架或者管式车架,需要在车架外包裹外壳。事实上,按严格的定义来说,一体式车架都是由不同的组件装配而成的,其中{zd0}的一块就是地台,其余的如车顶、侧板大小各异,所有的板件都是由高压压模机压制出来的,利用机械手做电焊处理,有的甚至使用激光焊接技术。整个制作过程短至数分钟便可宣告完成。
由此可见,一体式车架之所以那么流行,主要原因是为了适应高度机械化的流水生产作业大量生产,这样做可以大大的降低生产成本。而且一体式车架先天拥有良好的撞击保护能力,车头以及车尾加装副车架一方面有利于吸收撞击所造成的冲击力,另一方面对车架行驶的刚性也有所帮助。其次,一体式车架能够预留用以吸收撞击能量的吸能区外,车架本身的包裹式构造还可以将吸能区域吸收不完的能力经过骨架分散到车体的其余部分,避免猛烈撞击力在瞬间过于集中而对乘客造成严重的创伤!相对于其他的车架构造,一体式车架没有高而阔的门槛、防滑动支撑架和大型的传动轴管道等,空间的利用率极高。
另外一个明显的缺陷就是一体式车架因为使用大量的金属,重量偏高。外壳的作用主要是用来营造理想的空间效果,而车架的设计主要由金属钢片构成,虽然钢片已经作了开孔的加强韧度处理,但是在物理结构上的刚度,特别是非水平扭动(longitudinal
torsion),始终不及钢管式车架。如果以重量和刚性比来做比较的话,使用同等金属重量所制作出来的一体式车架是所有车架中刚性表现最不经济的。
3.ULSAB Monocoque(超轻量一体式车架)载
4.Carbon-fiber Monocoque(一体式碳纤维车架)
制作碳纤维的方式会因生产商的不同而稍有不同。以McLaren
F1赛车为例,车上的碳纤维板件的制作过程大致是先将人造丝或者丙烯纤维放在热框架上加热到摄氏250度,然后再以摄氏2600度在铁炉内加热,使之炭化为碳(Carbon)以及石墨(graphite)。炭化后的纤维会以每三千条微丝卷成一条0.1mm粗的细丝,并以之编织成网状图案,成为碳纤维布(碳纤维板的高强度就得意于这种单纤维整齐排列、紧密成束的内部构造),但是如果碳纤维布不再进一步加工,在室温环境下只有约三天的寿命,故此这种碳纤维布一般存放在零下18度的冷柜里,这样寿命可以延长到18个月。碳纤维布之所以不马上加工成为碳纤维板,是因为车身的不同部件对碳纤维板的性质要求略有不同,有些碳纤维板用于车身结构上直接受力,而有些则用在扰流器上,有些则要经过特别的耐高温处理。其实碳纤维板已经比普通的钢材耐高温,而且在一定的温度范围了,随着温度的上升,它的强度会逐渐的增大。一般钢在摄氏635度就会软化,当温度进一步上升到摄氏1400度,钢材就会开始融化,而碳纤维材料却在摄氏20--2000度之间都保持持续的强度上升。一般加工碳纤维板,都要将板件在模具中成型时加入合成树脂(resin)。而不同的板件性质就是由于加入不同的合成树脂所造成的。加工碳纤维板的工作方法虽然有多种,但是基本工序都一样,都是将碳纤维布放置在加工模型的铝制模具中,将适合的合成树脂涂满碳纤维布,然后放到熔炉中以不同的温度、时间和压力溶制,令碳纤维融合,成为坚韧的碳纤维板件。世界上有大小不同的碳纤维制造商,而专为汽车制造的碳纤维普遍只有几种,其中以高韧度和重量比例见长的叫做Kelvar。Kelvar由xx的杜邦化工开发的,用途主要是汽车、赛车乃至飞行员的头盔。
最早出现的一体式碳纤维车架是出自于F1赛场,1981年McLaren MP4/1的设计师John
Barnard设计了全世界{dy}个一体式碳纤维车架,而在超级跑车的行列中现在应该只有4辆使用的是一体式碳纤维车架。它们分别是McLaren
F1 、Ferrari F50 、Ferrari Enzo 、Bugatti EB 110SS(EB 110
GT不是使用一体式碳纤维车架的)。而其他声称使用碳纤维的跑车最多不过在车架补强方面使用碳纤维,更多的是使用在装饰部分上。
5.Aluminum Space-frame(铝管式车架)
5.1.AUDI SPACE FRAME(ASF)
上一代A8在94年推出,重点技术便是和美国制铝商Alcoa合作开发的铝管式车架。虽然从名字看铝管车架更似钢管车架,不过,铝管车架并没有像钢管车架般用交错的钢管支撑车身的结构,而是和一体式车架极其相似。以A8和A2为例,它们的ASF车架结构在外型上基本是一体式的构造,车架本身已经勾勒了车身的线条,与一体式车架稍有不同的是少了一些一体压制的车身板件,取而代之的是增加大量的管状结构分布,如果足够仔细的观察A8的车架图,不难发现这一点。ASF的制造成本不低,主要是模件压制的机器和液压模技术的投资,焊接技术所投放的资金也是原因之一。但是铝制车架一方面更轻量化;一方面防锈,同时铝材几乎可以全部回收再利用,这无疑具有重大的环保意义,就这三点ASF已经具备足够的存在意义。根据AUDI公布的数据,使用ASF的A8比使用传统一体式钢制车架的车辆能减轻高达40%的车架重量,与此同时整体车架的刚度也有40%的增加。ASF已经进入了第二代的技术,车架的部件全部由高韧度铝合金以及高塑性、真空整裁或片状构成制造,并以小钢钉以非单一的焊接方式焊接而成。比起上一代的A8车架,新技术尽量使用大一点的框架,减少框架内使用铝管的数量,相对也可以节省焊接的焊接点与时间。在焊接技术上也增加了激光的使用范围,虽然成本比{dy}代有所下降,可是工序与技术始终同样复杂,所以成本始终较普通的一体式车架高出很多。但是毫无疑问,只要能够大量的生产,尽量降低成本,ASF铝管车架是很好的车架设计。
5.2.Lotus Aluminum Chassis
车架重量 65kg
抗扭刚度 11000Nu/degree 10000Nu/degree
挤压厚度 1.5mm
从赛车的角度看,ELISE的铝管车架是优质而有创见的。然而,一个以碳纤维制造的(撞击盒)已经预设在车头部分,作用是用以减轻前方撞击时的损毁程度,但是这个车架设计却不善于吸收撞击能量,车架一旦撞击扭曲,维修费用都会高的惊人,同时修复工作也非常的复杂,因而往往令它不被修理就直接报销。另一方面,有一个广为人知的事实就是,铝金属在受热到一定的程度后就会开始燃烧。如果引擎有漏油情况的话,点起轻微的火舌,而一旦发现的稍迟后车上没有灭火器的话,加上纤维车身助燃,火势随时一触即发,烧为灰烬。所以用铝制车架的车内{zh0}常备一只灭火器。至于AUDI
ASF的身上有没有这样的隐患,或者在车架设计时已经克服了这样的问题,暂时我也没有足够的资料下定论。
6.Glass-fiber body(玻璃纤维车架)
也许很多人没有听说过玻璃纤维车架,其实这个世界上也只有一辆车使用过玻璃纤维车架,不过,玻璃纤维大量的被运用到汽车上是不争的事实。对不少的汽车界专业人士而言,玻璃纤维是极其理想的制车材料。它比钢材甚至铝材更轻巧,可塑性高,也不需要担心生锈的问题。而且它的加工成本极低,最简陋的一些基本工具加一双手就可以制作玻璃纤维了。我不知道该说玻璃纤维有英国情节还是应该反过来说英国跑车有玻璃纤维情节,反正它们有着纠缠不清的种种关系。而和玻璃纤维最投机的要属命运多舛的LOTUS。直到今时今日ELISE和ESPRIT的车身仍然披着玻璃纤维的外衣。而{dy}部使用玻璃纤维车架和车身的汽车也出产于LOTUS。不错又是它—莲花,正是它于1957年推出了一体式玻璃纤维车架(Glass-Fiber
Monocoque
Chassis)轻量化跑车Elite。Elite的全车受力结构均有玻璃纤维制造,在当时而言,超前的概念就象今日的一体式碳纤维车架一般。无论引擎、传动系统以至悬挂的固定位置,都xx的嵌入玻璃纤维车架之中,结果车重是惊人的660kg。可是Elite注定只是一颗流星。这点大家其实不难理解,引擎、悬架和传动系统这些不断受压摇晃的部件,对车架接点的要求是极其苛刻的。而玻璃纤维却有着很大的先天物理宽容性,车身板件与板件的连接位置不能造的精密,对机械受力的问题上一直都存在隐忧,连接位置会随着时间的推移越变越大,最终影响行驶的稳定性、乘坐的舒适性和安全性等等。LOTUS于59-63先后4年间不断加大用以维护Elite车架稳定性的资源投入。{zh1}在生产了988辆之后终告停产,所谓的{dy}辆使用玻璃纤维车架的汽车也成为了{zh1}一辆!以后使用玻璃纤维的汽车无论是Elan
Marcos
Corvette或者稀有的Venturi都只限于非受力的车壳部分。换句话说玻璃纤维只是美丽的外衣而已。那些跑车在国内都太罕见,其实有些普通的汽车车身就是用玻璃纤维制造的,比如上一代的Renault
Espace。这车在国内曾经少量的CDK生产,能见度还可以。我曾经和一位Espace的车主在修理厂聊天。猜猜看他如何评价玻璃纤维的外壳,“漂亮、耐用、不生锈?”都不是!他说:“车壳一撞就爆,不能修只能大幅更换,贵死了………”
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7. Backbone Chassis(脊骨式车架)