车架设计与汽车的安全性.doc

车架设计与汽车的安全性　 2004年11月11日 　锋线汽车 一部车的性能除了取决于引擎动力的大小，操控也是不容忽视的另一因素，但是要造出优异的操控，悬挂结构的设计就显得相当重要。除此之外，车架的刚性也是必不可少的先决条件。 　　早期的车架设计 　　“车架”这个名称原本是从法文的“Chassis”衍生而来的，早期汽车所使用的车架，大多都是由笼状的钢骨梁柱所构成的，也就是在两支平行的主梁上，以类似阶梯的方式加上许多左右相连的副梁制造而成。车体建构在车架之上，至于车门、沙板、引擎盖、行李厢盖等钣件，则是另外再包覆于车体之外，因此车体与车架其实是属于两个独立的构造。这种设计的最大好处，在于轻量化与刚性得以同时兼顾，因此受到了不少跑车制造商的青睐，早期的法拉利与兰博基尼都是采用的这种设计。 　　由于钢骨设计的车架必须通过许多接点来连结主梁和副梁，加之笼状构造也无法腾出较大的空间，因此除了制造上比较复杂、不利于大量生产之外，也不适合用在强调空间的四门房车上。随后单体结构的车架在车坛上成为主流，笼状的钢骨车架也逐渐改由这种将车体与车架合二为一的单体车架所取代，这种单体车架一般以“底盘”称之，也就是衍生自英文的“Platform”。 　　单体式车架 　　关于单体车架(Monocoque)：简单的说就是将引擎室、车厢以及行李厢三个空间合而为一，这样的好处除了便于大量生产，模组化的运用也是其中主要的考虑。通过采取模组化生产的共用策略，车厂可以将同一具车架分别使用在数种不同的车款上，这样也可节省不少研发经费。例如大众VAG旗下就有多种车款使用相同的车架，通用(GM)的绅宝、富士也有不少车款如法炮制。 　　除了有利于共用，车体车架也可以通过材料的不同来发挥轻量化的特性，例如本田NSX所使用的铝合金以及法拉利F50、Enzo所使用的碳纤维材料等。铝合金是80年代末期相当热门的一种工业材料，虽然重量比铁轻，但是强度却较差，因此如果要用铝合金制成单体车架，虽然在重量上比起铁制车架更占优势，但是强度却无法达到和铁制车架同样的水准。除非增加更多的铝合金材料，利用更多的用量来弥补强度上的不足。不过这样一来，重量必然会相对增加，而原本出于轻量化考量而采用铝合金材料的动机，当然也就失去了意义。也正因为这个原因，铝合金车架在车坛上并未成为主流，少数高性能跑车或是使用了强度更高的碳纤维，或是用碳纤维结合蜂巢状夹层铝合金的复合材料取代了铝合金。但是要用碳纤维制成单体车架，在制作上相当复杂且费时，成本也相对更高，所以至今仍无法普及到一般市售车上，而仅有少数售价高昂的跑车使用。 　　尽管铝合金车架鲜有车厂使用，不过用钢铁车架搭配铝合金钣件的方式，近年来却受到不少车厂的重视，这样的结构不仅可以保留车架本身的强度，同时也可以通过钣件的铝合金化来取得轻量化效果，在研发成本上自然也不像碳纤维制的单体车架那样昂贵。 　　 　　关于车架刚性 　　很多人都知道刚性的良好与否会直接影响到一部车的操控，但是所谓的车架刚性究竟指的是什么？而刚性不足又会带来哪些后果呢？简单的说，车架所要求的刚性其实就建构在车架的抗变形能力上，也就是指车架对于受外力影响而弯曲或扭转的抗力。一旦车架刚性不足，操控性便会受到影响。试想前轮因车架变形而导致转向时出现时间差，或是轮胎与路面的接地性不良而影响到循迹性与抓地力等，肯定都会使操纵性无法发挥出原有的水准。 　　影响车架刚性的外力，通常是来自于路面磨擦力以及加减速或过弯时产生的G值。早期的汽车由于引擎及底盘设计不像现在发达，轮胎的抓地力也不如今日优异，因此车架刚性的重要性并不容易被关注。但是近年来市售车所搭载的引擎已有不错的动力，许多车都拥有200km/h以上的极速，而且除了轮胎进化成抓地力更好的辐射层构造，低扁平比薄胎与大直径化的设定也成为了市场的主流，因此在动力有所提升、轮胎与悬挂所承受的负荷增大并且转移至车架的情况下，车架本身承受的负荷肯定也会大幅提高，而车架刚性的良好与否也就显得更为重要。 　　车辆重量增加源于安全需要 　　除此之外，欧美从90年代开始逐渐提高了撞击事故的安全防护标准，这也是凸现出车架刚性重要的另一原因。许多车厂为了在撞击事故发生时能够确保车内乘员的安全，惟有针对车架以及车体进行全面强化，这也使得除了车架以外的强度有所改善，包括钣件厚度的改变以及各种辅助梁的增设也成为各厂惯用的手法。不过在这样的情况下，伴随而来的是车重相对增加，这也正是欧美日许多市售车的重量比起10年前、20年前增加不少的主要原因。 　　关于刚性的确保，大多数车厂在新车的设计阶段，都是利用电脑计算出车架的刚性需求，并以此作为设计依据。有些车厂在用电脑完成设计雏形后，还会再由专业的试车人员进行实际测试。不过在前面提到的模组化策略运用下，由于同一车架可能会使用在不同