汽車車架造型設計簡介

tags:    時間:2014-03-07 11:49:16
汽車車架造型設計簡介簡介
 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……
汽車車架造型設計簡介正文

 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。 
 
一、大梁式車架
 
在港台汽車刊物中常稱作“陣式車架”,是最早出現的車架類型(從全世界第一部汽車開始一直沿用至今)。大梁車架的原理很簡單:將粗壯的鋼樑焊接或鉚合起來成為一個鋼架,然後在這個鋼架上安裝引擎、懸架、車身等部件,這個鋼架就是名附其實的“車架”。大梁式車架的優點是鋼樑提供很強的承載能力和抗扭剛度,而且結構簡單,開發容易,生產工藝的要求也較低。致命的缺點是鋼製大梁質量沉重,車架重量佔去全車總重的相當部分;此外,粗壯的大梁縱貫全車,影響整車的布局和空間利用率,大梁的厚度使安裝在其上的坐廂和貨廂的地台升高,使整車重心偏高。綜合這些因素可見,大梁式車架適用於要求有大載重量的貨車、中大型客車,以及對車架剛度要求很高的車輛,如越野車。傳統越野車在良好道路上行駛時表現出重心過高的不良操控性,就是由大梁式車架所致。

 
二、承載式車架
       
也稱作整體式或單體式車架。針對大梁式車架質量重、體積大、重心高的問題,承載式車架的意念是用金屬製成堅固的車身,再將發動機、懸架等機械零件直接安裝在車身上。這個車身承受所有的載荷,充當車架,所以準確稱呼應為“無車架結構的承載式車身”(採用大梁車架的汽車車身則稱為“非承載式車身”)。承載式車架由鋼(較先進的是鋁)經衝壓、焊接而成,對設計和生產工藝的要求都很高,這也是中國目前的車身設計開發難以突破的大難點。成型的車架是個帶有坐艙、發動機艙和底板的骨架,我們所能看到的光滑的汽車車身則是嵌在骨架上的覆蓋件。 
     
承載式車車架是目前轎車的主流,因為這種結構將車架和車身二合為一,重量輕,可利用空間大,重心低,而且衝壓成型的製造方式十分適合現代化的大批量生產。但是除了開發製造難度高外,剛度(尤其是抗扭剛度)不足也是承載式車身的一大缺陷。這問題在日常用車上還不明顯,但對於大馬力、大扭力的高性能跑車,要求有很高的車架剛度,普通承載式車身就顯得剛度不足。因此近年的高性能汽車,除了馬力不斷提升外,各車廠也不斷致力於提高車身的剛度,目前主要採取的辦法是優化車架的幾何形狀和採用局部增粗或補焊以加強抗扭能力。
由於承載式車架將全車所有部件,包括懸架、車身和乘員連成一體,具有很好的操控反應(正式學名是“操作響應性”),而且傳遞的震動、噪音都較少,這是大梁式車架不可比擬的。因此不僅是轎車,就連一些針對良好道路環境設計的越野車也有棄大梁車架而改用承載式車身的趨勢,這就是所謂的“城市化越野車”。另外針對大梁式車架地台高的弊病,近年還出現了採用承載式車身的大型客車(稱為“無大梁車身”或“無陣車身”),由於取消了大梁,旅遊大巴可以在車底騰出巨大且左右貫通的行李空間,用於市區的公共汽車則可以將地台降至與人行道等高以便於上下車(要配合特殊的低置車橋)。低地台是客車的一個重要發展方向。

 
三、鋼管式車架
   
前面曾說過承載式車架的設計開發和生產工藝都複雜,只適宜大批量生產。但是對於少量生產的轎車又如何呢?雖然可以採用共用平台策略,但所謂的“共用平台”能共用的只是懸架、傳動系統等底盤部件,承載式的車架由於必須與車身形狀吻合,對於不同的車身造型是不能共用車架的。於是鋼管式(又稱“框條式”)車架便應運而生。
   顧名思義,鋼管式車架就是用很多鋼管焊接成一個框架,再將零部件裝在這個框架上。它的生產工藝簡單,很適合小規模的工作坊作業,50-70年代英國有很多小規模的車廠生產各式各樣的汽車,都是用自行開發製造的鋼管車架,是鋼管車架的全盛時期。時至今日仍採用鋼管車架的都是一些產量較少的跑車廠,如LAMBORGHINITVR,原因是可以省去衝壓設備的巨大投資。由於對鋼管車車架進行局部加強十分容易(只須加焊鋼管),在質量相等的情況下,往往可以得到比承載式車架更強的剛度,這也是很多跑車廠仍樂於用它的原因。

 
四、鋁合金車架
   奧迪A8的車架是用鋁合金做的,但那是衝壓成型的結構,只是材料不同了,仍屬於承載式車架。這裡說的鋁合金車架是另一種類型,將鋁合金條梁焊接、鉚接或貼合在一起組成一個框架,可以理解為鋼管車架的變種,只是鋁合金是方梁狀而非管狀。鋁合金車架最大優點是輕(相同剛度的情況下)。但是成本高,不宜大量生產,而且鋁合金本身的特性決定了其承載能力受限制,暫時只有少數車廠運用在小型的量產跑車上,如蓮花ELISE和雷諾SPIDER 
  
五、碳纖維車架
    
亦即是開頭所提到的“特殊材料一體成型式車架”。製造方法是用碳纖維澆鑄成一體化的底板、坐艙和引擎艙結構,再裝上機械零件和車身復蓋件。碳纖維車架的剛度極高,重量比其它任何車架都要輕,重心也可以造得很低。但是製造成本是它的致命傷,因此目前都只用於不計成本的賽車和極少數量產車上。碳纖維車架在80年代首先出現一級方程式賽車上,然後延伸到C組賽車和90年代的GT賽車,至今僅有的兩部採用碳纖維車架的量產車是94年的MCLAREN F195年的FERRARI F50
 
碳纖維的剛度不僅有利於操控,對提高安全性也有很大的作用。典型例子是在95年,寶馬的總裁駕駛一部MCLAREN F1(街道版)滿載3人在德國的公路上以280公里時速失控,衝出公路后再翻滾無數圈后才停車,車上3人居然只受了輕傷。當時全車外殼盡毀,但車架和坐艙仍保持完好的形狀,如非碳纖維車架肯定是招架不住的。這也是一級方程式賽車至今沿用它的原因之一。
六、“副車架”
    最後要補充“副車架”的概念,這是常常在車書中出現的新名詞。副車架並非完整的車架,只是支承前後車橋、懸架的支架,使車橋、懸架通過它再與“正車架”相連,習慣上稱為“副架”。副架的作用是阻隔振動和雜訊,減少其直接進入車廂,所以大多出現在豪華的轎車和越野車上,有些汽車還為引擎裝上副架。 
 
 
七、展望未來
      
大梁式和承載式車架是占絕大多數的主流車架形式,但它們都分別有著顯著的缺點,即笨重和剛度不足。於是近年出現了融合這兩者優點和車架設計方案,圖中所示是三菱PAJERO IO的獨創車架,在承載式結構的車廂底部增加了獨立的鋼框架,可以認為是簡化的大梁結構,從而在保證剛度的同時,重量和重心又比大梁式結構大為下降。另一個例子是本田S2000,由於對性能要求很高,而敞篷車身的剛度不足,於是在承載式車架的底部加焊了類似大型橫樑的補強結構,從而增強了剛度。今後這種“雜交”車架的形式肯定會更層出不窮。

 

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