安全防护：车架设计与汽车的安全性

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欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 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需求的车款上，例如宝马3系列中就有动力最小的1.8升318i和最大的3.2升M3，三菱Lancer车系也有入门级的1.3升Cedia和2.0Turbo的Lancer EVO，由于不同的车种在动力输出上相差甚远，车架所承受的负荷也截然不同，因此要以相同的车架来对应不同车种，可是有不少学问。 如果要以刚性为首要考虑，最理想的对策当然是以能够承受最大负荷的车架来对应所有引擎，宝马即是采取这样的方式。尽管318i的最大马力不及M3的一半，但是车架却是使用和M3如出一辙的设计标准。在车架刚性远胜过引擎动力的条件下，操控品质和整体稳定性具有极高的水准。不过多数日系车厂却并非采取这样的方式，例如三菱即是以入门型的Cedia车架来对应性能版的Lancer EVO引擎，至于刚性不足的部分，则是再另外通过补强的手法来解决。这也就是近来包括Lancer EVO或Civic Type R等强调高性能的日系车，在出厂时都已经将引擎室撑杆列为标准配备的主要原因。 关于日本车的安全性 但是无论上述何种方式，其实都很难定论出绝对的优劣性，毕竟德国车和日本车先天就有太多不同的设计理念与使用需求。德国拥有无限速的Autobahn，在动力允许的情况下，要以超过200km/h的速度巡航对于很多人来说司空见惯，车厂在研发新车之际，当然也会考虑到这种行车速度下的操控与安全性。但是日本高速道路的速限只有100km/h，而且市售车的极速也必须遵守不得超过180km/h的自主限制，车厂自然不会也没有必要考虑到180km/h之后的操控与安全性。很多人认为日本车的安全性不如德国车，车体刚性及底盘稳定性也是如此，其实就是由于上述先天不足的设计理念与使用需求所致。 关于车体的安全防护，在过去要确保车内乘员的安全，最有效的办法就是从汽车承受撞击力道的能力来着手，也就是在遭遇撞击时将变形的程度控制到最低。因此许多车厂在强化车架之余，同时也为车体换上更厚实的钣件，沃尔沃即是其中最具代表性的车厂之一。不过近年来，这样的安全防护逻辑已经有所转变，因为除了高速状态下的“车对车”撞击事故外，发生在市区街道的“车对人”撞击事故，也是目前许多车厂关注的焦点，道路状况比欧美国家更为拥挤的日本尤为明显。 　安全防护观念的扩大 为了将安全防护的范围从车内乘员扩大到车外的行人及骑车者，本田旗下市售车在2000年开始引入了G-CON理念，开始完全打破了过去沃尔沃所强调的安全概念。本田的G-CON理念，并非利用更厚、更硬的钣件来抑制车体变形的程度，反倒是通过适度的变形或溃缩来将撞击力道予以吸收，这样更有助于减轻行人或骑车者在被直接撞击时所受到的伤害。 但是要如何在车对车的撞击事故发生时，利用最低限度的车厢变形来确保车内乘员的安全，同时又能够在车对人的状况下，通过车体钣件的适度变形来减轻车外行人或骑车者所受到的伤害呢？ 诸如此类的两极对立问题，其实在汽车的空气力学上也同样可以见到，例如以往高性能跑车基于操控性的考虑，多半会以牺牲风阻系数来换取更大的下压力。但是近年来法拉利火爆时都已不再利用车外装设的空力套件来增加下压力。甚至连尾翼都简化许多，因为加装在车外的扰流装置虽然可以造就更大下压力，但是却会使风阻系数相对增大，对于极速和油耗全然没有帮助。不过目前包括Enzo、F360或Carrera GT这一类跑车，都已经发展出通过底盘的先进造型来产生地面吸附效应的技术，这样的效果不仅等同于从车外获得下压力，同时也不会因外形上的改变而破坏风阻系数。 今后的课题 要想在车厢空间的确保与车体撞击吸收能力之间取得平衡，或是同时兼顾两者，根本之道就是以高强度的车架来搭配具有溃缩设计的车体。不过说起来好像很简单，实际上却存在着不少必须克服的困难，例如引擎的体积就直接影响到车头的溃缩范围，引擎越小，当然越有利于吸收撞击力道，但是动力输出势必也会更受限制，而使用在保险杠或其他部位具有缓冲特性的材料，又会与资源再利用的环保理念相违背。上述因素，甚至包括研发成本的考虑等，都是攸关整体成效的主要因素之一。当然，这些也正是今后各厂所必须努力的重要课题。(end)

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