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汽車桿身系統-強化車體剛性的拉桿,安全最為優先

我們常看到賽車場裡的重度改裝車內部都具備防滾籠來強化車體的剛性,受到強烈撞擊時能減少車體扭曲,以保護車手的安全。對於普羅大眾來說,防滾籠似乎沒必要裝在自己的車上。隨著造車技術不斷的突破,的確新車的剛性進步許多,以代步車來說足夠應付日常所需,但對於強化後的避震器,或經常跑山路的車輛來說,加裝拉桿對車輛的操控力和剛性補強依然會有所幫助,畢竟車體變形量愈少,懸吊與輪胎就更能單純的處理路面震動與彈跳,車輛開起來會更聽話。

 

這也是性能車或高級房車原廠都會配置引擎室拉桿的原因,當強勁動力與高速巡航時,都必須有更穩固的車體剛性來承受,透過引擎室拉桿的加裝,其設計猶如一座拱橋,能減少避震器上座的扭曲,並在過彎中將負載較重的懸吊傳遞至另一側,提高行車的操控性。此外引擎室拉桿的桿身,最好都能設有彎折處,並銜接在固定座的上方,除了能使桿身具有一定的彈性外,倘若受到極大的車側撞擊時,會從彎折處開始翹曲並緩衝力量,而不影響另一邊的固定座。而固定座多以圓盤或導角設計,主要是減少應力過於集中在螺孔而損壞,確保引擎室的結構沒有過多的折損。

彎折的桿身能使拉桿增加彈性,能提高車子的穩定性,同時面對強烈撞擊時會從彎折處吸收能量並潰縮。

此外,前後下拉桿最主要的功能是平衡前後軸的重心轉移並強化底盤剛性,尤其在車子急加減速或行走不平坦的路況時,會因外部的力量而使底盤彎曲,透過拉桿就可減少此情況。而葉子板內的拉桿能分散懸吊的回饋力,同時能防止內部結構的過多折損。因此,拉桿是將路面傳來的負載均勻分佈,並反饋部分的力量給懸吊的車體結構補強部品。

來自UR提供的照片,能看出車禍後的桿身吸收了撞擊力而扭曲,但仍盡量保持拉桿整體的結構,車體才不至於有嚴重的潰縮,以保護乘客的安全。

要鋁還是鋼?

各家自有獨特妙方

如同連桿,大致上拉桿也只選用鋼材和鋁合金,因為只有這兩種金屬材料才能承受巨大的衝擊。而來自馬來西亞的UR(Ultra Racing)拉桿選用主流的鋼材,在設計上就能作出尺寸較小的拉桿,也較容易對車體結構作出不同的造型。此外,拉桿承受著底盤和固定座不斷的扭動,需要有彈性的鋼材去平衡衝擊力,藉由一體成型的打造來避開過多鎖點形成的應力集中。

 

採訪HARDRACE和代理UR的威普斯後的第二天,編輯同事拜訪Summit老闆詢問拉桿同樣的問題時,也異口同聲的認為鋼材的拉桿較能承載車體的剛性,不過Summit卻有獨特的一方,就是選用「鍛造鋁合金」桿身外加鋼材的固定座,來打造引擎室拉桿。據他的了解,引擎室拉桿的受力相對其他部位的拉桿較小,以鋁合金為桿身就能應付所需。但固定座必須承載較大的扭動,除了得設計成圓盤造型來分散應力集中外,用鋼材加持較為保險,再說鋁合金和鋼材不能焊在一起,因此才有鋁合金桿身鎖在鋼材固定座的獨家設計。

或許您會有疑問,一般市售車有必要安裝拉桿嗎?其實要取決於自己對車子的要求。基本上拉桿能提高一定的操控性,在緊急狀況下能降低失控的發生,即便車子被強烈撞擊後也能減少變形率,以保護乘客的安全,算是一種輔助安全的配件。

 

 

Summit使用鋁合金為引擎室桿身,但要有碳鋼的強度就必須作出較寬的尺寸,且桿身內部須有縱向結構來補強,而碳鋼的桿身只增加管壁的厚度就行,但同樣強度的拉桿,鋁合金製品的重量只有碳鋼的一半,相當有車體輕量化的優勢。

 

汽車桿身系統-懸吊中的連桿,傳遞路面回饋的功臣之一

若您有從「懸吊系統」看起的話,裡頭就有提到獨立懸吊受力時左右車輪不影響彼此,能達到不錯的操控和舒適。其實,懸吊系統中的上下支臂、仰束角調整器、李仔串、後上連桿等等都屬於「連桿件」,只不過每根連桿扮演的角色有點不同,卻有提高行車穩定性和轉向反應的共同點。

連桿通常是車架與車輪中的固定橋梁,一端會固定於車體上,另一端則固定於轉向系統或羊角上,透過連桿的擺動可傳遞和吸收來自於地面的衝擊力量,使輪胎與避震器發揮更佳的吸震效果,同時強化懸吊系統的剛性與強度,不會在轉彎時因車體側傾的重量壓迫,而使懸吊結構產生太多短暫形變,進而讓輪胎定位角度出現大幅度的短暫偏差,如此車輛的操控就不會太好。說得更深入一點,連桿會依據不同的位置與功能,而被設計成不同的形狀、長度與擺動自由度,也就是有限的作動能力(自由度:在3D空間內能自由變化作動的方向,如扳手只有旋轉方向,代表只有一個自由度)。為此,連桿左右端設有襯套接頭也就是關節,在螺絲固定狀態下,還能自由旋轉以進行上下搖擺動作,進而讓車輪的外傾角或其他定位角度能控制在有限範圍內,車輛才能受控,遇坑洞時又可傳遞衝擊力量,乘坐起來不會過度死硬,並在過彎時能增加輪胎的側向抓地力,藉此保持車子的操控力和舒適度。

支臂受到路面衝擊而上下擺動,藉此能讓輪胎自行調整外傾角,加強輪胎的貼地性。

此外,許多車主換上高低可調避震器後,懸吊幾何結構一旦被降低,外傾角自動變大,輪胎就像趴在地上一樣,造成輪胎的偏磨耗,而「仰束角調整器」能導正外傾角和束角,會跟隨懸吊的擺動而扭轉能減少輪胎的偏磨耗,增加過彎的精準度。然而有的連桿專為銜接防傾桿和避震器或下支臂而設,如「可調李仔串」是專門調整防傾桿的位置,並用球接頭增加自由度,更直接的轉移車子側傾時所帶來的力量,提高彎道中的穩定性。

 

可調李仔串也能針對低趴車作出相應的位置,利用球接頭的靈活度來固定支臂或防傾桿。

由HARDRACE推出的可調式後側連桿,可調範圍介於15mm-25mm,藉由調整連桿長度來達到車輛的操控與舒適比例,而螺紋具有達可銹的防銹漆料。

汽車桿身系統-連桿的不同選料會有差嗎?

 

市面上有好幾種不同材質的連桿,但目前主流的依然是鋼材和鋁合金,而適合連桿的材料都有本身的剛性和韌性來抵抗強大的衝擊力。不過,不良的設計可能會造成連桿受到衝擊時,超出材料的彈性範圍而變形。因此,在選料時工程師也得設計不同的造型,來達到連桿應有的強度。

就以下支臂來說,它得承受路面傳來不同方向的力,多數廠商仍選用較保守的鋼材,確保足夠的強度和耐用度,製作成本也較低,不過像Summit的鋼材下支臂,為了強化剛性並達到輕量化的效果,採用了獨特的3D疊層結構設計,雖然用料不多,卻有相當的費用,成本自然不會低。此外,因應車主對鋁合金材質的需求,一些廠商會打造鋁合金的支臂,雖然比鋼材輕,但強度不比鋼材佳,為了達到幾乎同等的強度,鋁合金支臂的尺寸必須比鋼材多出四倍,因此比鋼材的支臂還要粗大。

支臂的接頭承受力最大,為強化鋼材的支臂接頭處,Summit作出疊層的設計,在支臂內多加一塊鋼材以穩固襯套接頭裡的螺絲。

至於車輛的操控與舒適面,這兩種材質給予乘坐者並沒有太大的落差感,且基於鋁合金輕盈的優點,小編認為多少會減一點支臂擺動的幅度,對於追求高操控性的車主來說,哪怕是少一點簧下重量也在所不惜。

雖然市面的上連桿多屬鋼材,不過HARDRACE卻採用鋁合金來打造可調李仔串,據其表示,李仔串只是防傾桿中的穩定器,加上球接頭的設計,桿件本身的受力並不大,所以用鋁合金材質足以應付衝擊力。不過,要打造鋁合金的連桿需要經過固溶處理、熱處理、表面加工等繁雜工序,相對於取材容易的鋼料,在造價上也比鋼來得貴。

可調的李仔串因受到的衝擊力不大,由鋁合金打造足已堪用。

由電腦的模擬圖可看出以不同顏色顯示鋁合金下支臂在極限下的應力,通常在魚眼處和固定避震器附近才顯示受力狀態。據Summit老闆說,鋁合金連桿一旦超出能承受的負荷會直接斷掉,相當危險,而不像鋼材會先變形,依然保有基本的懸吊功能。