汽車骨架結構

1、汽車骨架結構汔車設計是一個很大的范疇,希望能夠大家一起討論，共同提高水平。 找了很久只有這些資料。誠請大家能夠提供更多的資料。共同提高，謝謝！ 希望大家能夠踴躍發(fā)表自己對汔車設計的看法和經驗。 對有價值的見解和看法，會視情況而定給予不同分數的加分獎勵！ 對提供有價值資料者將給予加分獎勵！ 對于給現有資料和教程有好的想法和見解的給予加分獎勵 汔車的框架。 承載式車身和非承載式車身.？ 車架是汽車設計的重要課題，它幾乎比引擎更重要，因為它的好壞直接關系到車的一切（操控、性能、安全、舒適.） 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。如果車架在某方面的韌

2、性（stiffness ）不佳，就算有再好的懸掛系統(tǒng)，也無法達到良好的操控表現。而車架在實際環(huán)境下要面對4種壓力。 1負載彎曲（Vertical bending） 從字面上就可以十分容易的理解這個壓力，部分汽車的非懸掛重量（unsprung mass），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。 2非水平扭動（longitudinal torsion） 當前后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（longltudinal torsion），情況就好象要你將一塊塑料片扭曲成

3、螺旋形一樣。 3橫向彎曲（lateral bending） 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。 4水平菱形扭動（horizontal lozenging） 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，這種情況就好象將一個長方形拉扯成一個菱形一樣。 其實車架的好壞并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(tǒng)的車架形式依然存在. Ladder

4、 Chassis（梯形車架） 梯形車架還有一個更為人熟知的名稱陣式車架，是最早出現的車架形式。顧名思義，梯形車架的樣子就好象一條平躺著的梯子由兩條縱向的主粱（longitudinal side member），結合許多大?。ù旨殻┎煌母睓M梁（cross member）所構成的，有些情況還會加上斜梁（cross braces）作鞏固。直到上世紀60年代，它仍然被大部分汽車所采用。隨著不同形式的車架設計的誕生，梯形車架應用到一般小轎車上的情況越來越少見，除了專門的越野車，如Jimmy、Landcrusier或者Trooper等，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

5、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，崎嶇的大幅路面上下落差環(huán)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并不理想，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。 至于商用車由于梯形車架的負載抗曲能力高，而車架先天造就平臺造型，無論對營造車廂空間還是栽貨空間都有極其正面的作用。 梯形車架的優(yōu)點也造就了它的缺點，平面結構令它的非水平扭曲剛性相對于一體式車架來的低，而車架的設計不善于造就重心水平

6、低的汽車（技術上完全可行，但是沒有必要）對于以操控性作為出發(fā)點的汽車這種特性當然與他們的宗旨背道而馳。 Monocoque（一體式金屬車架） 顧名思義，使用一體式車架的汽車，整個車身的外殼本事就屬于車架的一部分。所以它不同于傳統(tǒng)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臺，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。 由此可見，一體式車架之所以那么流行，主要原因是為了適應高度機械化的流水生產作業(yè)大量生

7、產，這樣做可以大大的降低生產成本。而且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于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。其次，一體式車架能夠預留用以吸收撞擊能量的褶皺區(qū)外，車架本身的包裹式構造還可以將褶皺區(qū)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于集中而對乘客造成嚴重的創(chuàng)傷！相對于其他的車架構造，一體式車架沒有高而闊的門欖、防滑動支撐架和大型的傳動軸管道等，空間的利用率極高。 凡事總有正反兩面，一體式車架生產前的配套投資極其龐大，絕對不適合小批量生產。比如市場層面較窄的跑車市場，現在只有PORSCHE使用一體式車架。

8、 另外一個明顯的缺陷就是一體式車架因為使用大量的金屬，重量偏高。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（longitudinal torsion），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。 順便可以提一下的就是車架的后天改裝問題。坊間流行為汽車加Bar也不是一天兩天了，但是無論是頂塔或者底塔，增加的只是車體上部分空間結構的剛性，但是車體其他部分的抗扭度依然沒有絲毫的提高，也就是說，原來過彎時，整個車架的扭動

9、現在被車架中間部分的扭動代替了。所以Tower Bar及其量只能提高駕駛的感受，至于真正的車架剛性的表現則很難說。但是有一種情況是例外的，那就是原廠在設計時已經考量了車架的longitudinal torsion，加裝tower bar已經是設計的一部分。 ULSAB Monocoque（超輕量一體式車架） 既然ULSAB Monocoque可以單獨被羅列出來，自然有其獨到之處。不過首先還是要交代一下它的出生。 傳統(tǒng)的一體式車架其優(yōu)點是對于大量生產成本相對較低，擁有較強的空間效能同時撞擊保護能力較強。缺點是車身沉重，初期投入很高，無法做少量生產。在上世紀八、九十年代開始，國際汽車的安全規(guī)格開始

10、迅猛的發(fā)展，各大車廠除了發(fā)展不同形式的主/被動安全設備以外，也開始著手于設計撞擊剛性更高的車架。雖然當時超級計算機已經可以輔助設計出理想的車身結構，但是也無可避免的使更多的鋼材被應用到車身上，使得車架重量進一步增加。制造商為了兼顧汽車的性能和環(huán)保表現，則著手研究別類的車架金屬的應用，希望借此克服傳統(tǒng)一體式車架重量偏高的缺點。最為人所知的HONDA NSX 和 AUDI A8就是在那樣的大環(huán)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(tǒng)的鋼制零件。這對于許多鋼鐵制造商來說無疑是沉重的打擊，如果汽車工業(yè)越來越趨向于使用

11、鋁金屬的話，他們的生意以及贏利必然會受到重大的影響。為了避免更多的車廠選用鋁而放棄鋼鐵，一間美國鋼鐵制造商，委托了PORSCHE ENGINEERING SERVICES研發(fā)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（Ultra Light Steel Auto Body）。這也是為什么PORSCHE會選用一體式車架的原因之一。 在結構上，它與傳統(tǒng)的一體式車架無異。輕量化的主要原因是車的板塊由Hydroform形式壓制，簡單的講就是以高水壓壓制。傳統(tǒng)車架用高重量壓模機壓制的車架模塊，效果就好象用紙蓋著硬幣，然后用鉛筆素出圖案的效果。車架和車殼的板塊因為壓模機的壓制細膩度有所規(guī)限，整

12、體厚度和設計的厚度有一定的出入，尤其在彎角和邊緣的位置，在壓制后肯定是最薄弱的地方。為了彌補這個缺陷，整個車架在壓制時會刻意做的厚一點，就是說用厚一點的鋼板去遷就這些最薄弱的位置都符合最低的厚度要求，從而達到剛度要求。 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。 ULSAB在98年公布了一份申明，Porsche Engineering Services聲稱它比傳統(tǒng)的一體式車架輕36%，而剛性則提高了50%?，F在BMW 3系和 OPEL ASTRA的部分車架都使用這

13、個技術。 Carbon-fiber monocoque（一體式碳纖維車架） 想解釋清楚這種車架，就必須首先解釋一下碳纖維的構造和特性。 關于碳纖維這個詞，大多是從賽車報道中首先遇到的?，F在的F1賽車身上90%為合成物料，而這些合成物料中90%就是碳纖維！不過非常有趣的是，雖然F1賽車上的這些碳纖維部件超級的昂貴，不過其實它和我們身上所穿的化纖襯衫（Rayon shirt）有著相同的淵源。 現在這個世界上有兩種物質可以制造碳纖維，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

14、能制造碳纖維的物質是丙烯酸纖維（Acrylic fiber），學名應該是Polyacronitrile（PAN）。 制作碳纖維的方式會因生產商的不同而稍有不同。以McLaren F1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，然后再以攝氏2600度在鐵爐內加熱，使之炭化為碳（Carbon）以及石墨（graphite）。炭化后的纖維會以每三千條微絲卷成一條0.1mm粗的細絲，并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于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(huán)境下只有約三天的壽命，故此這

15、種碳纖維布一般存放在零下18度的冷柜里，這樣壽命可以延長到18個月。 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，有些碳纖維板用于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202000度之間都保持持續(xù)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

16、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，將適合的合成樹脂涂滿碳纖維布，然后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(fā)的，用途主要是汽車、賽車乃至飛行員的頭盔。 總的來說，碳纖維和傳統(tǒng)鋼材比較，其性能具有壓倒性的優(yōu)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。但是其實碳纖維也非完美的材料，雖然它很堅韌，但是卻有受力向度的問題，也即是說

17、，整體中的某些部位不太能受力。 碳纖維應用于汽車是80年代初的事，當時的FIA允許Group B賽車使用任何汽車技術于賽車之上，唯一的限制是有關的賽車必須生產200輛民用版本公開發(fā)售，以次作為推動汽車發(fā)展的動力，同時也限制了過于離奇的技術所造成的不公平競爭。于是在那時，陸續(xù)出現了許多使用碳纖維部件的跑車，例如Ferrari 288 GTO PORSCHE 959，不過當時碳纖維的使用僅僅用于車身的板件，而目的也僅僅限于減輕賽車的重量，碳纖維板本身根本沒有提供任何的車身剛性。更別說一體式碳纖維車架了，當時的959使用的是一體金屬車架，而288GTO、F40、DIABLO使用的都是鋼管式車架。 最

18、早出現的一體式碳纖維車架不難猜出是出自于F1賽場，1981年McLaren MP4/1的設計師John Barnard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McLaren F1 Ferrari F50 Ferrari Enzo Bugatti EB 110SS（EB 110 GT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。 在結構上，一體式碳纖維車架沒有即定的格局，幾乎每輛車都根據自己整體的情況特別設計車架，其中值得一提的F50，F50的車架有一個很大的

19、特色，就是后懸掛直接連接在引擎及變速箱上，然后才將整個引擎懸掛結構嵌入車體內。籍此F50的車架只重102kg，而抗扭度高達沒有人性的3550kgm/degree。這種設計可以營造極輕量的懸掛重量，但是無可避免的回有較大的引擎震蕩傳入車廂。 碳纖維的制作成本已經從數年前的100美元/公斤下降到了約5美元/公斤，可見只要解決批量生產的問題（碳纖維的鑄造主要依賴手工，屬于勞動密集型生產）碳纖維很快就會被使用于民用汽車。 Aluminum Space-frame（鋁管式車架） 89年面市的NSX十分明顯的是一體式的結構，只是車架的材料由鋁取代了傳統(tǒng)的鋼材。雖然HONDA和AUDI為了誰是最早采用全鋁制

20、車架的車廠至今糾纏不清，不過這也許并不重要，所以也沒有必要在這里討論。 其實鋁管車架也有多種形式，所以我就挑兩種最具代表性的形式加以介紹。 AUDI SPACE FRAME（ASF） 上一代A8在94年推出，重點技術便是和美國制鋁商Alcoa合作開發(fā)的鋁管式車架。雖然從名字看鋁管車架更似鋼管車架，不過，鋁管車架并沒有像鋼管車架般用交錯的鋼管支撐車身的結構，而是和一體式車架極其相似， 。 以A8和A2為例，它們的ASF車架結構在外型上基本是一體式的構造，車架本身已經勾勒了車身的線條，與一體式車架稍有不同的是少了一些一體壓制的車身板件，取而代之的是增加大量的管狀結構分布，如果足夠仔細的觀察A8的車

21、架圖，不難發(fā)現這一點。 ASF的制造成本不低，主要是模件壓制的機器和水壓模制技術的投資，焊接技術所投放的資金也是原因之一。但是鋁制車架一方面更輕量化，一方面防銹；同時鋁材幾乎可以全部回收再利用，這無疑具有重大的環(huán)保意義，就這三點ASF已經具備足夠的存在意義。 根據AUDI公布的數據，使用ASF的A8比使用傳統(tǒng)一體式鋼制車架的車輛能減輕高達40%的車架重量，與此同時整體車架的剛度也有40%的增加。 ASF已經進入了第二代的技術，車架的部件全部由高剛韌度鋁合金以高壓吸塑、真空整裁或片狀構成制造，并以小鋼釘以非單一的焊接方式焊接而成。比起上一代的A8車架，新技術盡量使用大一點的框架，減少框架內使用鋁

22、管的數量，相對也可以節(jié)省焊接的焊接點與時間。在焊接技術上也增加了激光的使用范圍，雖然成本已較第一代有所下降，可是工序與技術始終同樣復雜，所以成本始終較普通的一體式車架高出很多。但是毫無疑問，只要能夠大量的生產，盡量降低成本，ASF鋁管車架是很好的車架設計。 Lotus Aluminum Chassis 對于產量偏低的蓮話車廠來說，搞鋁車架搞到像AUDI ASF這樣的層面是不現實的，因為在成本上這完全超越了車廠的承受范圍。但是輕量化始終是LOTUS的靈魂，所以車廠求助于丹麥鋁窗制造商Hydro Aluminum，希望憑借該廠對鋁材性能的了解，能降低成本制造輕量化同時堅固無比的跑車車架。 ELIS

23、E身上革命性的鋁制車架，利用擠壓方式（Extrusion）將車架模件擠壓成型，不過它最正點的地方在于Hydro aluminum發(fā)現，只要在鋁件接合面上做化學處理，便可以用環(huán)氧樹脂（Epoxy）將鋁件剛硬的結合起來，而且使用在這個車架上的環(huán)氧樹脂也是特別發(fā)展出來的，堅固度高的出奇。配合鋼釘固定，使整個車架的抗扭曲度高達沒有人性的1122kgm/degree也就是說，要使車架扭曲1度，用一根一米長的杠桿以1122kg的力量扭動下去！并且據原廠修理ELISE的技師稱，即使經過撞擊而車架扭曲的ELISE也沒有一處結合環(huán)氧樹脂的地方崩斷。不過使用環(huán)氧樹脂的意義還不止于此，另一個重點在于，能夠避免以焊接

24、方式接合鋁件，好處是可以用上薄一點的鋁材，這樣可以進一步的減低車架的重量，因為焊接的接點往往是車架最薄弱的地方，要解決這個問題，就不得不使用厚一點的鋁材作彌補。所以，同樣使用鋁管車架設計的Renault Sport Spider，以焊接方式接合車架，但在重量、抗扭曲度和擠壓厚度的表現上都及不上ELISE。 ELISE SPORT SPIDER 車架重量 65kg 80kg 抗扭曲度 11000Nu/degree 10000Nu/degree 擠壓厚度 1.5mm 3.0mm 從賽車的角度看，ELISE的鋁管車架是優(yōu)質而有創(chuàng)見的。然而，一個以碳纖維制造的（撞擊盒）已經預設在車頭部分，作用是用以減

25、輕前方撞擊時的損毀程度，但是這個車架設計卻不善于吸收撞擊能量，車架一旦撞擊扭曲，維修費用都會高的驚人，同時修復工作也非常的復雜，因而往往令它不被修理就直接報銷。 另一方面，有一個廣為人知的事實就是，鋁金屬在受熱到一定的程度后就會開始燃燒。如果引擎有漏油情況的話，點起輕微的火舌，而一旦發(fā)現的稍遲后肢車上沒有滅火器的話，加上纖維車身助燃，火勢隨時一觸即發(fā)，燒到連渣都不剩。所以用鋁制車架的車內最好常備一只滅火器。至于AUDI ASF的身上有沒有這樣的隱患，或者在車架設計時已經克服了這樣的問題，暫時我也沒有足夠的資料下定論。 Glass-fiber body（玻璃纖維車架） 也許很多人沒有聽說過玻璃纖

26、維車架，其實這個世界上也只有一輛車使用過玻璃纖維車架，不過，玻璃纖維大量的被運用到汽車上是不爭的事實，所以就當追憶古人，在這里談一談玻璃纖維車架。 對不少的汽車界專業(yè)人士而言，玻璃纖維是極其理想的制車材料。它比鋼甚至鋁更輕巧，可塑性高，也不需要擔心生銹的問題。而且它的加工成本極低，最簡陋的一些基本工具加一雙手就可以制作玻璃纖維了。 我不知道該說玻璃纖維有英國情節(jié)還是應該反過來說英國跑車有玻璃纖維情節(jié)，反正它們有著糾纏不清的種種關系。而和玻璃纖維最投機的要屬命運多舛的LOTUS。直到今時今日ELISE和ESPRIT的車身仍然披著玻璃纖維的外衣。而第一部使用玻璃纖維車架和車身的汽車也出產于LOTU

27、S。不錯又是它蓮花，正是它于1957年推出了一體式玻璃纖維車架（Glass-Fiber Monocoque Chassis）輕量化跑車Elite。Elite的全車受力結構均有玻璃纖維制造，在當時而言，超前的概念就象今日的一體式碳纖維車架一般。無論引擎、傳動系統(tǒng)以至懸掛的固定位置，都完全的嵌入玻璃纖維車架之中，結果車重是驚人的660kg。 可是Elite注定只是一顆流星。這點大家其實不難理解，引擎、懸架和傳動系統(tǒng)這些不斷受壓搖晃的部件，對車架接點的要求是極其苛刻的。而玻璃纖維卻有著很大的先天物理寬容性，車身板件與板件的夾位不能造的精密，對機械受力的問題上一直都存在隱憂，夾位會隨著時間的推移越變越

28、大，最終影響行駛的穩(wěn)定性、乘坐的舒適性和安全性LOTUS于59-63先后4年間不斷加大用以維護Elite車架穩(wěn)定性的資源投入。最后在生產了988輛之后終告停產，所謂的第一輛使用玻璃纖維車架的汽車也成為了最后一輛！ 以后使用玻璃纖維的汽車無論是Elan Marcos Corvette或者稀有的Venturi都只限于非受力的車殼部分。換句話說玻璃纖維只是美麗的外衣而已. 那些跑車在國內都太罕見，其實有些普通的汽車車身就是用玻璃纖維制造的，比如上一代的Renault Espace。這車在國內曾經少量的CDK生產，能見度還可以。我曾經和一位Espace的車主在修理廠聊天。猜猜看他如何評價玻璃纖維的外殼

29、，“漂亮、耐用、不生銹？”都不是！他說：“車殼一撞就爆，不能修只能大幅更換，貴死了.” 車架之七-脊骨式車架（Backbone Chassis） 這古靈精怪的東東又是蓮花創(chuàng)始人Chapman先生搞出來的杰作。話說Mr Chapman研究玻璃纖維車架未果。之后他從動物的脊椎結構得到靈感，發(fā)展了脊骨型車架。 應用脊骨式車架的第一輛汽車是蓮花的第一代Elan roadster。它的結構非常簡單，車架的重心結構為一根粗壯的方形管架，管架的頭尾分別接上Y型結構，再焊接上懸掛支撐架（通常為雙搖臂結構）。這個結構從上俯視非常象一個大大的X。這種結構對于橫向轉彎（lateral bending）及其水平菱角扭

30、動（horizontal lozenging）有很好的抵御作用。而對非水平扭動（longitudinal torsion）的抵御能力，相對于大馬力高車重的跑車來講會因車身慣性問題而相對顯得較弱。因此，這種車架也主要應用在小跑車身上。至于引擎，無論是FR的Elan MK I還是MR的Eupopa，都是放在Y型梁架之內。（前者置于前方，后者置于后方）。而在FR布局中，汽車的排擋箱后的傳動軸會經由車架主梁中心通往尾軸差速器，并且直接受到車架的保護。 一如蓮花的傳統(tǒng)，脊骨車架上的車殼由玻璃纖維制成，完全沒有結構剛性的功能。除了蓮花以外，Marcos及TVR車廠出產的跑車車架也是由脊骨車架稍作改良演化出來。 如今車壇，類似脊骨車架的設計越來越少見，如果硬是要尋找，S2000的車架中間的X型強化結構到和脊骨式車架有異曲同工之妙。 說說正題，Ladder Chassis不是TVR用的那個車架，