車體輕量化改造八問(下)太輕反而不利高速與安全

▲許多頂尖超跑的內外車體結構性零件都是採用碳纖維材質所打造,其中的製作技術層次已大大超越一般改裝部品的領域,是真正的高科技賽車產物。

問題六:碳纖維鈑件聽說還有分等級?
可分成「手積層」、「真空抽吸」與「熱壓成型」三種類。


最吸引人的輕量化車體鈑件,莫過於採用Carbon碳纖維材質打造的部品,外觀最大特色就是清晰可見的立體纖維,碳纖維會被當成許多賽車或高科技的應用品,最主要的原因在於相同面積下,能擁有比其他材質(鋁合金或鋼等)還要高的強度及更輕的重量,而且藉由編織手法的不同,還能創造出不同的強度及韌性,但碳纖維最大的缺點就是成本相當高,當然也反映在售價上,一塊全碳纖維引擎蓋單價往往超過3萬以上,營造出高不可攀的性能象徵。不過大家是否知道,同樣是擁有碳纖維紋路的空力套件,底子裡的製程若不同,特性與重量可是天差地別。
 

碳纖維之所以會被大量使用於賽車上,除其擁有輕量化效果外,硬度與抗衝擊的能力也是關鍵之一,圖中的碳纖維錐狀物經過撞擊後,並不會整個碎裂,而是呈現網狀破損,代表碳纖維可有效吸收撞擊力道。
 

許多頂尖超跑的內外車體結構性零件都是採用碳纖維材質所打造,其中的製作技術層次已大大超越一般改裝部品的領域,是真正的高科技賽車產物。
 
不過同樣是碳纖維空力套件,其實依照製程方式,還可分成「手積層」、「真空抽吸」與「熱壓成型」三個種類。其中「手積層」工法是最低階的製程,此方式也是目前改裝用碳纖維產品的主要製程,所佔比例相當高,製造時只須有「外模具」,目的在塑造產品外型曲線,先把以手工方式將玻璃纖維一層層黏貼於模具上以建立強度,乾燥後再從模具中取出,進行表面碳纖維布的披覆、上金油與研磨工作,此工法製成的產品優點在於生產成本低,技術力不高,因此產品售價比較能讓人接受,仍是汽車改裝市場上的主力。缺點是耐熱性差、又厚且重,產品精密度低,而內層為玻璃纖維,不只光滑度不佳,且由於碳纖維只在外層具美觀效果而已,並不能算是真正的碳纖維製品,重量無法減經太多,輕量化效果難以跟高階的碳纖維製品相比擬。
 


這張碳纖維引擎蓋就是熱壓成型工法所打造,因此背面仍可見玻璃纖維的紋路,且從切面來看,可明顯看出中間為半透明的樹脂層,表面散熱孔還可見黑色未批覆碳纖維布的地方。
 

「手積層」碳纖維製造工法是在FRP部品表面,再貼上一層碳纖維布,並進行上金油與研磨工作,因此底子裡還是FRP的材質,重量並無法減輕太多,且整體硬度遇熱偏軟,尤其是引擎蓋更為明顯。

問題七:如果碳纖維體積不小,但卻需要精密尺寸的話,有哪個方法是可以兼具成本與產品質量的呢?
碳纖維成本與品質均衡點-真空抽吸工法


筆者過去在採訪時也曾遇過有些進氣集氣箱,是採用上下盒組立而成,體積也不小且結構複雜,看起來應該很難使用「手積層」或「熱壓成型」來製造,因此後來又有廠商研發出所謂的「真空抽吸加壓」工法。
 
這樣製程中同樣需要「內外模具」,只是模具不需金屬模,外模一樣是塑型用,內模則是加壓用,製造時會先在外模上鋪設碳纖維布,之後套入內模,內模上有許多條管子,其中一條管子是用來抽吸內外模間的空氣,兩個模具間是無法讓空氣進入,因此內模將會緊緊壓住碳纖維材質與外模,另一條連接黏著用的樹脂,開始抽吸真空時,環氧樹脂會因此被吸入模具中,待樹脂流到另一條導流管時,表示模具已被樹脂填滿,且成型時還會加熱內外模具,目的在穩定環氧樹脂的性質,並提高產品製成後的耐高溫與耐撞擊能力,等樹脂乾燥之後,再行脫模完成打模、修補、噴金油等後續加工。
 

「真空抽吸加壓」是兼具品質與成本的最佳製造方式,製造時需要「內外模具」,先在外模上鋪設碳纖維布,之後套入內模,其上有管子用來抽吸內外模間的空氣,內模將會緊緊壓住碳纖維材質與外模,另一條管子可讓環氧樹脂吸入模具中。
 

真空抽吸加壓製成的產品,不只內外層表面都看得得碳纖維紋路,厚度也超薄重量更輕,成品厚度約1.5mm(手積層碳纖維件厚度約6mm),重點是產品精度高、耐熱性也佳,是高檔碳纖製程。
 
而此製程有何優點?完成後的產品不只內外層表面都看得得碳纖維紋路,厚度也超薄重量更輕,成品厚度約1.5mm(手積層碳纖維件厚度約6mm) ,重點是產品精度高,因此即使製成集氣箱,也不用擔心上下蓋子會裝不上去,或對不到螺絲孔等問題,能在節省製造成本下,又不會犧牲產品品質,是目前國內外各廠商極力發展的碳纖維部品製造技術。
 

此為採用真空抽吸製作而成的碳纖維引擎蓋,可以從背面紋路看出是真正的碳纖維製品,而非以FRP為底的半碳纖維製品,重量輕且強度不會因高溫而軟化。
 

碳纖維紋路還可以K數來區分,K數是指一束碳纖維中有幾千根的單絲,3K就是指一束碳纖維中有3000根單絲碳纖維,12K就是指一束碳纖維中有12000根單絲碳纖維,反映在紋路上就是K數愈大紋路愈大塊。

問題八:有些碳纖維部品可以做到很薄,例如安裝在車內的碳纖維飾板,這是什麼種的碳纖維製程?
最費工的製程技術-熱壓成型工法


問題中所提到的碳纖維引擎蓋,應該是以熱壓成型製造而成的部品,「熱壓成型」製程有別於前述的手積層技術,且就連使用的原料也不盡相同。手積層所使用的碳纖維布就是一般布料,可摸到纖維絲、觸感軟趴趴,但熱壓成型可就不同了,其所使用的碳纖維布已經加入「Epoxy」(環氧樹脂),可使碳纖維布變硬、且附有彈性,而且摸起來會黏黏的,平常需要冷藏保存,也因為經過加工,所以光是原料就比手工披覆所使用的碳纖維布要高出2~3倍左右。
 
由於製造過程中需透過高溫+高壓來成型,因此必須使用鋼製模具,所以在產品製造前需要精準丈量尺寸,才能製作模具,而且需要正反模具才能成型,故需要「一對」鋼模來製造,不像手積層只需要一個。而熱壓成型的過程其實不難了解,成型過程中需加熱到130~140℃左右,同時也會加壓使其成型,因此製造過程需要專用的熱壓設備,產品越大所需要的熱壓設備也越大,成本當然相對提高,這些種種原因都是熱壓產品無法在汽車市場上普及的原因。
 

此為「熱壓成型」工法會使用到的鋼製模具與熱壓機,由於製造過程需要專用的熱壓設備,產品越大所需要的熱壓設備也越大,成本當然相對提高,這些種種原因都是熱壓產品無法在汽車市場上普及的原因。
 

傳統手積層披覆碳纖維無法使產品細節突出,體積過小的產品也有製作困難度,使用熱壓成型工法反而可以解決這些問題,因此愈來愈多的汽車用碳纖維後視鏡、方向盤、中控台與排檔座飾板等,都可見到熱壓成型的「薄型」碳纖維部品。
 
不過隨著碳纖維產品需求量大增,運用性也越來越廣,汽車用熱壓產品也有逐漸增加的趨勢。正因為傳統手積層披覆碳纖維,無法使產品細節突出,體積過小的產品也有製作困難度,使用熱壓成型反而可以解決這些問題。汽車的後視鏡、晴雨窗、方向盤、中控台與排檔座等碳纖維部品,都可以善用熱壓方式來製造,畢竟這類飾板的面積小,所需要的模具、熱壓設備也會相對縮小,可以更有效控制成本,再者、熱壓成型的產品厚度薄如紙,運用於飾板上恰到好處,可以有效提昇安裝後的密合度,是碳纖維內裝部品很常運用的製造工法。
 

圖中為少數有能力打造F1賽車車架的公司才擁有的碳纖維部品生產設備,可以見到真正的碳纖維部品是透過碳纖維絲線一層層編織而成,
 


頂尖超跑上的碳纖維部品,也是利用碳纖維布一片片重疊起來,並且須經過高壓、高溫的真空爐的固形,來賦予碳纖維部品極強的剛性。
 

車體輕量化改造八問(上)太輕反而不利高速與安全

▲愈來愈多超跑採用碳纖維或陶瓷材質的碟盤,目的除了提高煞車系統的耐溫性能外,更能有效減少簧下重量,對操控反應更有幫助。

文、圖/OPTION編輯部
 
上個月筆者跟大家分享了關於車體剛性強化的改造資訊,這個月則繼續延續車體改造的話題,不過方向會改成與車體剛性截然不同的車體輕量化改造來說明,同時也會分享不同鈑件材質,所各自具備的各異特性,如果您喜歡幫愛車減輕重量的話,這篇報導應該能幫助到您,並且充實各位讀者的改裝知識。
 
問題一:從哪裡開始輕量化最有感覺,也最容易進行?
簧下負重減輕效果大


上個月談完車體剛性補強後,接下來筆者要介紹所謂的車體輕量化工程,首先要帶入的是效果最明顯也是最容易達成的「簧下荷重」的減輕。該處指的是從懸吊到輪胎的可動部分,包含車輪、煞車、避震器與懸吊結構等零件都包含在內,如果我們將注意力放在懸吊系統這個部分,就不難想像簧下重量愈輕效果愈佳的說法。
 
首先,較輕的懸吊負擔路面循跡性也較好,因為它可將零件本身的重量慣性影響降至最低限度,自然輪胎能夠更敏銳追蹤路面的凹凸狀況,減震筒與彈簧可以正確吸收因凹凸帶來的震動,減少不平路面對車體造成的影響。相反的,如果彈簧下負重較重,懸吊系統就會承受來自於懸吊零件的多於重量,而無法柔順的作動,路面的狀況就將對車體形成晃動,這樣的結果不用說乘坐感當然不好,所以對車輪週邊進行輕量化,以追求簧下重量的減輕,有十分重要的整體改善效果。
 

許多超跑的底盤結構桿都是採用鍛造鋁合金材質,目的在追求極致輕量化與強度要求,而街車則可透過更換改裝品來獲得。
 
另外,建議愛車使用20吋以上大尺寸輪圈的車主,不妨幫愛車更換鍛造單片輪圈,此為彈簧下荷重減輕的終極絕招,具有相當明顯的效果,輪圈與輪胎在懸掛週邊的最下方作動,因此它們的輕量化可說是在減低懸吊負荷項目中,能夠展現最明顯效果之處。因為輪胎重量的選擇性不多,加上現在有很多款輪圈都是以輕量化為概念製作,所以在此建議大家多多選用這種型式的製品。
 
輕量化輪圈可說是為彈簧下負重減輕的動作加分,並具有減低因慣性造成不利迴轉的重要意義,此原理與更換輕量化飛輪後,就能使引擎的反應更好相同,由於輕量化輪圈不管在加、減速的反應上,都比偏重的輪圈來的好,相對煞車效果亦可隨之提昇;煞車系統一樣是這個道理,在比賽的領域中我們常可以看到採用碳纖維碟盤與鍛造輕量化卡鉗,搭配鎂合金製超輕量輪圈的例子。
 

鍛造單片輪圈的超輕重量,是鑄造輪圈或多片式輪圈所無法達成的境界,想要輕挑這種的準沒錯。
 

愈來愈多超跑採用碳纖維或陶瓷材質的碟盤,目的除了提高煞車系統的耐溫性能外,更能有效減少簧下重量,對操控反應更有幫助。

問題二:很多人都會拆空內裝來減輕車重,會要注意什麼問題嗎?
車內噪音會變很大聲。


對於許多人來說,想要減輕車重,最簡單的省錢的做法就是將內裝拆空,包含車門飾板、音響、冷氣系統、座椅、地毯、備胎與車內隔音膠等零件全數拆除,大約可省下20-30公斤的重量,如果副駕駛座採用多向電動可調座椅的話,能減輕的重量會更多,雖然只要自己動手做就能搞定這部分的輕量化工程,不過如果是每天通勤開的車,筆者實在不建議您們這樣做,因為車內噪音會增加許多,包含路面震動、輪胎滾動聲、引擎聲浪等,都會傳遞到車內,多數人都無法忍受這樣的噪音,因此施工前請三思而行。
 
值得一提,如果您的愛車配備的駕駛座椅是多向電動可調設計的話,其實只要將原廠座椅更換成輕量化的桶型賽車椅,就能為您省下20公斤以上的車體重量,這是因為原廠電動椅的重量大約都20公斤以上,而桶型賽車椅含腳架滑槽,大約是在5-6公斤左右,這些省下重量對一般車款來說,可是相當有感覺的。
 

不論是將原廠電動座椅更換成賽車椅,或使用碳纖維材質的車頂,都可達到減低車體重心的目的。
 

將內裝拆空是賽車常見的輕量化手法,一般買菜車不建議比照辦理,因為車內噪音很容易讓人受不了,
 
此外,如果將處在高位置的零件輕量化,車體的重心必然能隨之降低,操控反應與過彎能力也將產生極大的差異。降低重心最簡易的方法,就是利用壓低座椅的腳架,來降低駕駛人的位置。或是將車頂鈑金更換成碳纖維材質,但前提是A、B、C柱需補強過或車內加裝防滾籠,才能確保車輛翻覆時的乘員安全。
 
而將頗具重量的車窗玻璃改為壓克力素材,如此車輛的運動性能將會有令人驚訝的提昇,不過從安全性的考量來看,擋風玻璃儘量是避免採用聚乙烯等塑膠材質,因為它還有強度、耐久性與防爆等問題,因此若是日常代步用的車種,最好不要進行這類的改裝。
 

桶型賽車椅則擁有重量極輕的優勢,尤其是採用碳纖維椅背材質的部品更佳。
 

將頗具重量的車窗玻璃改為壓克力素材,如此車輛的運動性能將會有令人驚訝的提昇,不過從安全性的考量來看,擋風玻璃儘量是避免採用聚乙烯等塑膠材質,因為它還有強度、耐久性與防爆等問題,因此若是日常代步用的車種,最好不要進行這類的改裝。
 

車體輕量化改造八問(中)太輕反而不利高速與安全

▲碳纖維空力套件或車體鈑件確實能減少車重,同時也能提昇外觀方面的競技氣息。

問題三:車體鈑件也可輕量化?
換掉金屬鈑件是可行的辦法。


市售車要有快速的性能,在引擎馬力下功夫還不如在「減肥」上有用,因此除了不要裝載不必要的東西以外,也可以將原本的金屬材質的車體鈑件,更換為玻璃纖維、碳纖維或功夫龍等輕量化材質的部品,來減輕車體重量,例如引擎蓋、行李箱蓋,前葉子板、前後保桿與左右側裙等,只要是熱門改裝車,原則上都會有碳纖維的空力套件可選擇,有些車款甚至還有碳纖維車門可用。
 
以徹底輕量化來追求卓越加速、過彎性能的賽車,還會額外將車窗玻璃,以聚乙烯、丙烯基化等壓克力類素材替換,較細微的內在部分就是將螺絲或螺帽更換為鋁合金或鈦合金的零件。至於車台減重的方面,它們則會在熔接點增加的鈑件接角處,切除掉上方的金屬塊,而其他剛性沒有下降的地方,則減少厚度與拿掉不必要的支撐樑,如此總重量至少可減輕200公斤以上。總而言之,競技用車是靠每個小環節的減重,來達到整體輕量化的表現。
 
此外,將原廠排氣管更換為不鏽鋼,甚至是鈦合金材質的排氣管,其所能降低的重量也是相當驚人,而且又富有很高的運動氣息,大家不妨從這些基本處做起,體驗它們所帶來的靈敏操駕感!
 

碳纖維空力套件或車體鈑件確實能減少車重,同時也能提昇外觀方面的競技氣息。
 

全段鈦合金排氣管不只能減少重量,更能獲得性能化的駕駛氣勢與氛圍。

問題四:車體過度輕量化會有那些缺點?
輪胎抓地力比較不足+高速會有飄浮感。


雖然車輛會因車體的輕量化而提昇運動性能,但多少也會有缺點產生,事實上輪胎接觸地面的壓力會因為車體輕量化而降低,抓地力亦會因此不足;垃圾車或大型卡車儘管是使用溝槽較少的輪胎,但它們一樣能在下雨天疾駛而不打滑,這就是因其車重能夠確保輪胎緊抓住地面,而車重一旦減輕輪胎就無法緊貼住地面。
 
另一方面,輕量化的賽車是運用由空力產生的下壓力,一邊將車子緊壓往地面上,一邊取得前後的平衡,因此過度輕量的車輛常在雨天或高速行駛時發生異常打滑現象,而只在後輪週邊採取輕量化同樣會使車頭過重,因而無法有良好的平衡性,故追求輕量化的同時,注意前後軸的配重,也是相當重要的事情。
 


許多追求極致輕量化的賽車,車體幾乎都採用碳纖維材質打造,車重也都控制在1100kg上下,而高速行駛時之所以不會打滑失控,關鍵原因在於空力設計,因此一般街車還是需保有一定重量,才能確保雨天行車安全。

問題五:輕量化鈑件中的FRP材質的優缺點?
價格與品質的最均衡點


很多想要幫愛車減輕車重的車主,都會幫車子換上重量比較輕的引擎蓋、葉子板或前後保桿等,這些改裝空力套件,不少比例都是FRP就是俗稱的「玻璃纖維」材質製成,其製作方式是以樹脂材料製造模具,接著再重複鋪上玻璃纖維布與樹脂,層層手工堆疊的方式,並待乾燥後再行脫模與加工就可完成基本樣貌,因此FRP擁有容易成型、重量較輕、成本較低的優點,且在製造過程中若要修改也是相當方便,而日後若發生破損,也可就小面積的損壞進行修補。
 

圖中就是FRP部品的製作過程,可以見到是以樹脂材料為模具,接著再重複鋪上玻璃纖維布與樹脂,層層手工堆疊的方式,並待乾燥後再行脫模與加工就可完成基本樣貌。
 
重點是由於成本低的關係,所以產品售價相對較低廉,同時也有許多造型供消費者選擇,此外由於玻璃纖維不需要開發專用的鋼鐵模具便能製造成型,因此若有消費者想要訂做特殊造型的外觀套件,FRP會是店家打造時最好材料,因此FRP玻璃纖維也是目前國內外使用最多的空力套件材質,讓FRP玻璃纖維成為外觀改裝的主流。
 
而FRP的缺點是製造出來的產品材質偏硬且不具韌性,加上模具與手工披覆製程的關係,產品精緻度、表面平整度都會比較差,若遭受微小的撞擊便相當容易破裂,好在玻璃纖維有著修補容易的特點,也讓消費者不是很在乎容易破裂的這項缺點。值得一提,筆者曾看過日本進口的空力套件,雖然採用FRP材質打造,不過由於採用的樹脂成分較佳,製作工法也較特殊的緣故,因此表面平整度與硬度都相當不錯,可與PP材質相比擬,也讓筆者開了眼界。
 

FRP材質的空力套件擁有容易成型、重量較輕、成本較低的優點,且在製造過程中若要修改也是相當方便,而日後若發生破損,也可就小面積的損壞進行修補。
 

大部分改裝用空力套件都是以FRP材質製成,判別方式可以從背面有著絲狀平面可確認,有些日本進口的FRP套件,擁有不輸PP材質的平整度、細緻度與硬度,改裝上去後的密合度相當優異。