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車架

簡介

結構：車架也稱大梁_汽車的基體_一般由兩根縱梁和幾根橫梁組成_經由懸掛裝置前橋後橋支承在車輪上.

作用：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沖擊、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.

車架受力情況

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.一般車架在實際環境下要面對4種壓力.

1．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.

2．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.

3．非水平扭動(longitudinaltorsion)

當前後對角車輪遇到道路上的不平而滾動_車架的梁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.

4．負載彎曲(Verticalbending)

從字面上就可以理解這個壓力_部分汽車的非懸掛重量(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梁(member)_一般都要求較強的剛度.

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.

分類及其特點

一、梯形車架(LadderChassis)

梯形車架_俗稱陣式車架_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)不同的副橫梁(crossmember)所構成的_有時還會加上斜梁(crossbraces)作鞏固.直到上世紀60年代_它仍然被大部分汽車所采用.

優點：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.

缺點：平面結構令梯形車架的非水平扭曲剛性相對於一體式車架低很多_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來說_這種特性當然與他們的宗旨背道而馳.

隨著不同形式的車架設計的誕生_除了專門的越野車_如Jimmy、Landcrusier或者Trooper等_梯形車架應用到一般小轎車上的情況越來越少見_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_崎岖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.

二、一體式金屬車架(Monocoque)

即：使用一體式車架的汽車_整個車身的外殼本身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_其余的如車頂、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.整個制作過程短至數分鐘便可宣告完成.

優點

（1）適應高度機械化的流水生產作業_可大量生產_大大降低生產成本.

（2）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沖擊力_另一方面對車架行駛的剛性也有所幫助.

（3）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余部分_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！

（4）相對於其他的車架構造_一體式車架沒有高而闊的門榄、防滑動支撐架和大型的傳動軸管道等_空間的利用率極高.

缺點

（1）一體式車架生產前的配套投資極其龐大_不適合小批量生產.

（2）由於使用大量的金屬_一體式車架重量都偏高.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制作出來的一體式車架是所有車架中剛性表現最不濟的.

車架

三、超輕量一體式車架(ULSABMonocoque)

在結構上_它與傳統的一體式車架無異.以高水壓_即Hydroform形式壓制_是汽車的板塊輕量化的主要原因.

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.這樣就解決了車架沖壓受力不均的問題_車架便可以造得更薄了.

優點：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.

缺點：存在受力向度的問題_即整體中的某些部位不太能受力.

從上世紀八、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.制造商為了兼顧汽車的性能和環保表現_避免使用更多的鋼材而增加車架重量_則著手研究別類的車架金屬的應用.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、和懸掛搖臂等)來取代傳統的鋼制零件.鋼鐵制造商為了緩沖由此帶來的沉重打擊_一間美國鋼鐵制造商_委托了PORSCHEENGINEERINGSERVICES研發了新型的鋼制輕量車架技術_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.

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.

四、一體式碳纖維車架(Carbon-fibermonocoque)

最早出現的一體式碳纖維車架是出自於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.

制造碳纖維的材質有兩種_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.另外一種能制造碳纖維的物質是丙烯酸纖維(Acrylicfiber)_學名應該Polyacronitrile(PAN).

制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).炭化後的纖維會以每三千條微絲卷成一條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度的冷櫃裡_這樣壽命可以延長到18個月.

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_而且在一定的溫度范圍了_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制模具中_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制造商_而專為汽車制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.