汽车造型知识一

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汽车造型设计知识讲座（一）
汽车的尺寸
一、外形尺寸参数
    汽车设计中由设计师去弥定的外形尺寸包括：长、宽、高、轴距、轮距、前后悬长和离地距等。各参数的含义见下图：
二、各级汽车的尺寸标准
    弥定汽车尺寸所要考虑的因素主要是机械布局和使用要求，其中机械布局视乎厂家各自的设计方案有所差异；使用要求则主要由汽车所针对的目标市场级别而定。下表为我根据经验总结的各主要级别（主要乘用车）的常见尺寸范围：
单位：米                 长度      宽度      高度      轴距      典型代表
欧洲、亚洲轿车：
小型两厢轿车             3.6-4     1.5-1.7    1.3-1.5     2.2-2.5     夏利
小型三厢轿车             4.1-4.4    1.6-1.7    1.3-1.5    2.3-2.6     丰田COROLLA   
中型轿车                 4.3-4.7    1.7-1.8    1.3-1.5    2.6-2.8     捷达
中大型轿车               4.6-4.9    1.7-1.9    1.3-1.6    2.7-2.9     日产CEFIRO
大型轿车                 4.8-5.2    1.8-2     1.4-1.6     2.8-3.2     奔驰S-CLASS
其他车种： 　 　 　 　 　
中型越野车               4.5-4.9    1.7-2      1.7-2.0    2.5-2.8     三菱PAJERO
中型MPV                4.4-4.8    1.7-1.9     1.5-1.9    2.7-3      丰田PREVIA
中型皮卡（pick up）       4.7-5     1.6-1.8     1.4-1.6    2.7-2.9    丰田HILUX
特殊规格： 　 　 　 　 　
日本轻自动车（K-CAR）   <3.7      <1.5       不限     不限      奥拓
美国标准大型房车         5.2-5.5    1.8-2.1     1.3-1.5    2.8-3.3   林肯TOWNCAR
美国标准多用途车（SUV） 5-5.5      1.8-2.2     1.8-2.2   2.8-3.2    别克GL8
一级方程式赛车           4.2-4.4    <1.8        0.9-1     2.8-3.1 　
    其中我们看到美国车的尺寸比欧、日的标准大很多，这主要是因为美国地大车少，油价低廉，对于汽车空间的要求远大于对省油性能的要求。日本则正好相反，为了改善道路拥挤情况，日本政府对汽车的税收等级是以外形尺寸（主要是占地面积长*宽）来划分的，车身越大使用费用越高。因此日本汽车造型设计所追求的是“空间利用率”，即在有限的车身尺寸下争取最大的内厢空间。可以说日本车造得紧凑的目的是为了符合法规；欧洲人也热衷于小型车，但他们造小车的主要目的是省油和使用方便；而美国人的生活环境决定了他们用不着把汽车造得太紧凑。
三、如何弥定具体尺寸
    确定汽车尺寸首先要服从机械布局，然后要满足各项应有的功能，如必须具备载客、载货的空间等。下面详谈各尺寸的具体确定方法：
1、长度
长度是对汽车的用途、功能、使用方便性等影响最大的参数。因此一般以长度来划分车身等级。车身长意味着纵向可利用空间大，这是显而易见的；但太长的车身会给调头、停车造成不便。4米长与5米长的汽车在驾驶感觉上会有很大的差异，一般中小型乘用车长4米左右，接近5米长的可算作大型车了。
2、宽度
宽度主要影响乘坐空间和灵活性。对于乘用轿车，如果要求横向布置的三个坐位都有宽阔的乘坐感（主要是足够的肩宽），那么车宽一般都要达到1.8M。近年由于对安全性的要求，车门壁的厚度有所增加，因此车宽也普遍增加。日本车对宽度的限制比较严，大部分在1.8M以下，欧洲车则倾向增大车宽。但是车身太宽会降低在市区行走、停泊的方便性，因此对于轿车来说车宽2m是一个公认的上限。接近2米或超过2米的车都会很难驾驶。道路用车（大货车、大客车）的车宽一般也不能超过2.5米。
对于车外倒后镜不能折叠的车辆，规格表上的宽度一般把外伸倒后镜也包括在内，因而有些欧洲轿车规格表上的宽度接近甚至超过2米（例如FIAT MULTIPLA宽度为2010mm），各位明察即可。
3、高度
车身高度直接影响重心（操控性）和空间。大部分轿车高度在1.5米以下 ，与人体的自然坐姿高度相比低很多，主要是出于降低全车重心的考虑，以确保高速拐弯时不会翻车。MPV、面包车等为了营造宽阔的乘坐（头部空间）和载货空间，车身一般比较高（1.6米以上），但随之使整车重心升高，过弯时车身侧倾角度大；这是高车身车种的一个重大特性缺陷。此外在日本，香港等一些地区，大部分的室内停车场都有高度限制，一般为1.6米，这也是确定车高的重要考虑因素。小型车为了在有限的占地面积内扩大车厢空间，近年有向上发展的趋势，如丰田的YARIS（高1500mm）和标致206（1430mm），以及一批超过1.7M的日本K-CAR级RV（如铃木WAGON R），车身都比传统的小型车高出很多，重心升高导致的主动安全性下降是必然的。
4、轴距
在车长被确定后，轴距是影响乘坐空间最重要的因素，因为占绝大多数的2厢和3厢轿车，乘员的坐位都是布置在前后轴之间的。长轴距使乘员的纵向空间增大，直接得益的是对乘坐舒适性影响很大的脚部空间。在行驶性能方面，长轴距能提高直路巡航的稳定性，但转向灵活性下降， 回旋半径增大。因此在稳定性和灵活性之间必须作出取舍，取得适当的平衡。
5、前、后悬
从图一可见：车长=前悬+后悬+轴距。所以轴距越长，前后悬便越短。最短的悬殊长可以短至只有车轮，即为车轮半径1/2。但除了一些小型车要竭力增加轴矩来扩大乘坐空间外，一般轿车的悬长都不能太短，一来轴矩太长会影响灵活性，二来要考虑机械零件的布局。例如前横置引擎前轮驱动的轿车，引擎一般会安置在前轴的前方，因此前悬必须有一定的长度（例一）；但前悬也不应过长，以确保爬坡通过性，越野车为了保证爬坡、越台的能力，前悬都很短（例二）；一些高性能跑车的前后悬取值主要是出于对前后重量平衡和动态重心转移的考虑（例三）。近年为了满足严格的正面撞击测试法规，有加长前悬的趋势，目的是容纳车架的撞击缓冲结构。后悬则可以比前悬稍长一些。



                                                         
例一 前置引擎前轮驱      例二 图中的A、B角分别称为接    例三  悬长对汽车的动态
动的轿车，因为要腾出     近角和离去角，是衡量汽车通过    表现也会有影响，例如增
空间安放引擎，前轴要     性的重要指标。由图可见角度越    大前悬可以增加转向过多
向后移，形成很长的前     大，车身能安全通过的坡度越大    ，以抵消车架本身的转向
悬。国产富康、夏利、     。其中接近角尤为重要，因此越    不足倾向。所以设计高性
桑塔纳都属于这种类型。   野车的前悬都很短。              能跑车不仅是要好看那么
                                                         简单。
6、轮距
轮距直接影响汽车的前后宽度比例。与其它尺寸相比，轮距更受机械布局（尤其是悬挂系统类型）的影响，是造型设计师需要在很早期就确定的参数。一般轿车的前轮距比后轮略大（相差约10-50MM），即车身前半部比后半部略宽，这与气流动力学有关（将在以后详述）。但一些特殊机械布局的汽车，如法拉利的512TR，由于后轴安放了大型的水平对向12缸引擎，使其后轮距远大于前轮距，这就需要以特别的造型设计来配合。在操控性方面，轮距越大，转向极限和稳定性也会提高，很多高性能跑车车身叶子板都向外抛，就是为了尽量扩大轮距。
7、离地距
离地距即车体最低点与地面的距离。后驱车的离地最低点一般在后轴中央，前驱车一般在前轴，也有些轿车的离地距最低点在前防撞杆下缘（气流动力学部件）。离地距必须确保汽车在行走崎岖道路、上下坡时的通过性，即保证不"刮底"。但离地距高也意味着重心高，影响操控性，一般轿车的最低离地距为130mm-200mm，附合正常道路状况的使用要求。越野车离地距普遍大于200mm。赛车由于安装了扰流车身部件，并且要降低重心，离地距可以低至50mm，当然前提是赛车跑道路面平坦，在普通街道上肯定是不可行的。
    最后必须补充一下，汽车的长、宽、高、轴距是影响乘坐空间的四要素，但这只是基础，要在尺寸大的车身上设计出空间充裕的座舱，还必须精心设计车厢轮廓。这就是所谓的“利用率”问题，而它又与全车的整体布局息息相关，这将在后面的章节中综合介绍。

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汽车造型设计知识讲座（二）
汽车的车架
    就像人的身体由骨架来支持一样，汽车也必须有一幅骨架，这就是车架。车架的作用是承受载荷，包括汽车自身零部件的重量和行驶时所受的冲击、扭曲、惯性力等。现有的车架种类有大梁式、承载式、钢管式及特殊材料一体成型式等。
1、大梁式车架
在港台汽车刊物中常称作“阵式车架”，是最早出现的车架类型（从全世界第一部汽车开始一直沿用至今）。大梁车架的原理很简单：将粗壮的钢梁焊接或铆合起来成为一个钢架，然后在这个钢架上安装引擎、悬架、车身等部件，这个钢架就是名附其实的“车架”。大梁式车架的优点是钢梁提供很强的承载能力和抗扭刚度，而且结构简单，开发容易，生产工艺的要求也较低。致命的缺点是钢制大梁质量沉重，车架重量占去全车总重的相当部分；此外，粗壮的大梁纵贯全车，影响整车的布局和空间利用率，大梁的厚度使安装在其上的坐厢和货厢的地台升高，使整车重心偏高。综合这些因素可见，大梁式车架适用于要求有大载重量的货车、中大型客车，以及对车架刚度要求很高的车辆，如越野车。传统越野车在良好道路上行驶时表现出重心过高的不良操控性，就是由大梁式车架所致。(图A：大型客车  图B：丰田Prado越野车的大梁车架)
2、承载式车架
     也称作整体式或单体式车架。针对大梁式车架质量重、体积大、重心高的问题，承载式车架的意念是用金属制成坚固的车身，再将发动机、悬架等机械零件直接安装在车身上。这个车身承受所有的载荷，充当车架，所以准确称呼应为“无车架结构的承载式车身”（采用大梁车架的汽车车身则称为“非承载式车身”）。承载式车架由钢（较先进的是铝）经冲压、焊接而成，对设计和生产工艺的要求都很高，这也是中国目前的车身设计开发难以突破的大难点。成型的车架是个带有坐舱、发动机舱和底板的骨架（图C），我们所能看到的光滑的汽车车身则是嵌在骨架上的覆盖件（图D）。
    承载式车车架是目前轿车的主流，因为这种结构将车架和车身二合为一，重量轻，可利用空间大，重心低，而且冲压成型的制造方式十分适合现代化的大批量生产。但是除了开发制造难度高外，刚度（尤其是抗扭刚度）不足也是承载式车身的一大缺陷。这问题在日常用车上还不明显，但对于大马力、大扭力的高性能跑车，要求有很高的车架刚度，普通承载式车身就显得刚度不足。因此近年的高性能汽车，除了马力不断提升外，各车厂也不断致力于提高车身的刚度，目前主要采取的办法是优化车架的几何形状和采用局部增粗或补焊以加强抗扭能力。
    由于承载式车架将全车所有部件，包括悬架、车身和乘员连成一体，具有很好的操控反应（正式学名是“操作响应性”），而且传递的震动、噪音都较少，这是大梁式车架不可比拟的。因此不仅是轿车，就连一些针对良好道路环境设计的越野车也有弃大梁车架而改用承载式车身的趋势，这就是所谓的“城市化越野车”。另外针对大梁式车架地台高的弊病，近年还出现了采用承载式车身的大型客车（称为“无大梁车身”或“无阵车身”），由于取消了大梁，旅游大巴可以在车底腾出巨大且左右贯通的行李空间，用于市区的公共汽车则可以将地台降至与人行道等高以便于上下车（要配合特殊的低置车桥）。低地台是客车的一个重要发展方向（图E）。
3、钢管式车架
     前面曾说过承载式车架的设计开发和生产工艺都复杂，只适宜大批量生产。但是对于少量生产的轿车又如何呢？虽然可以采用共用平台策略，但所谓的“共用平台”能共用的只是悬架、传动系统等底盘部件，承载式的车架由于必须与车身形状吻合，对于不同的车身造型是不能共用车架的。于是钢管式（又称“框条式”）车架便应运而生。
    顾名思义，钢管式车架就是用很多钢管焊接成一个框架，再将零部件装在这个框架上。它的生产工艺简单，很适合小规模的工作坊作业，50-70年代英国有很多小规模的车厂生产各式各样的汽车，都是用自行开发制造的钢管车架，是钢管车架的全盛时期。时至今日仍采用钢管车架的都是一些产量较少的跑车厂，如LAMBORGHINI和TVR，原因是可以省去冲压设备的巨大投资。由于对钢管车车架进行局部加强十分容易（只须加焊钢管），在质量相等的情况下，往往可以得到比承载式车架更强的刚度，这也是很多跑车厂仍乐于用它的原因。（图F是LAMBORGHINI DIABLO的钢管骨架，装上覆盖件后成为图G）
4、铝合金车架
     奥迪A8的车架是用铝合金做的，但那是冲压成型的结构，只是材料不同了，仍属于承载式车架。这里说的铝合金车架是另一种类型，将铝合金条梁焊接、铆接或贴合在一起组成一个框架，可以理解为钢管车架的变种，只是铝合金是方梁状而非管状。铝合金车架最大优点是轻（相同刚度的情况下）。但是成本高，不宜大量生产，而且铝合金本身的特性决定了其承载能力受限制，暂时只有少数车厂运用在小型的量产跑车上，如莲花ELISE和雷诺SPIDER（图H）。
5、碳纤维车架
     亦即是开头所提到的“特殊材料一体成型式车架”。制造方法是用碳纤维浇铸成一体化的底板、坐舱和引擎舱结构，再装上机械零件和车身复盖件。碳纤维车架的刚度极高，重量比其它任何车架都要轻，重心也可以造得很低。但是制造成本是它的致命伤，因此目前都只用于不计成本的赛车和极少数量产车上。碳纤维车架在80年代首先出现一级方程式赛车上，然后延伸到C组赛车和90年代的GT赛车，至今仅有的两部采用碳纤维车架的量产车是94年的MCLAREN F1和95年的FERRARI F50。(图I：法拉利F50一体成型的碳纤维地台连坐舱就是它的车架）
    碳纤维的刚度不仅有利于操控，对提高安全性也有很大的作用。典型例子是在95年，宝马的总裁驾驶一部MCLAREN F1（街道版）满载3人在德国的公路上以280公里时速失控，冲出公路后再翻滚无数圈后才停车，车上3人居然只受了轻伤。当时全车外壳尽毁，但车架和坐舱仍保持完好的形状，如非碳纤维车架肯定是招架不住的。这也是一级方程式赛车至今沿用它的原因之一。
6、“副车架”
最后要补充“副车架”的概念，这是常常在车书中出现的新名词。副车架并非完整的车架，只是支承前后车桥、悬架的支架，使车桥、悬架通过它再与“正车架”相连，习惯上称为“副架”。副架的作用是阻隔振动和噪声，减少其直接进入车厢，所以大多出现在豪华的轿车和越野车上，有些汽车还为引擎装上副架。

IN THE FUTURE……
     大梁式和承载式车架是占绝大多数的主流车架形式，但它们都分别有着显著的缺点，即笨重和刚度不足。于是近年出现了融合这两者优点和车架设计方案，图中所示是三菱PAJERO IO的独创车架，在承载式结构的车厢底部增加了独立的钢框架（图J中的蓝色部分），可以认为是简化的大梁结构，从而在保证刚度的同时，重量和重心又比大梁式结构大为下降。另一个例子是本田S2000，由于对性能要求很高，而敞篷车身的刚度不足，于是在承载式车架的底部加焊了类似大型横梁的补强结构，从而增强了刚度。今后这种“杂交”车架的形式肯定会更层出不穷。




































车架设计评价
要评价车架设计和结构的好坏，首先应该清楚了解的是车辆在行驶时车架所要承受的各种不同的力。如果车架在某方面的韧性（stiffness ）不佳，就算有再好的悬挂系统，也无法达到良好的操控表现。而车架在实际环境下要面对4种压力。
1．负载弯曲（Vertical bending）
从字面上就可以十分容易的理解这个压力，部分汽车的非悬挂重量（unsprung mass），是由车架承受的，通过车轴传到地面。而这个压力，主要会集中在轴距的中心点。因此车架底部的纵梁和横梁（member），一般都要求较强的刚度。
2．非水平扭动（longitudinal torsion）
当前后对角车架遇到道路上的不平而滚动，车架的梁柱便要承受这个纵向扭曲压力（longltudinal torsion），情况就好象要你将一块塑料片扭曲成螺旋形一样。
3．横向弯曲（lateral bending）
所谓横向弯曲，就是汽车在入弯时重量的惯性（即离心力）会使车身产生向弯外甩的倾向，而轮胎的抓着力会和路面形成反作用力，两股相对的压力将车架横向扭曲。
4．水平菱形扭动（horizontal lozenging）
因为车辆在行驶时，每个车架因为路面和行驶情况的不同，（路面的铺设情况、凹凸起伏、障碍物及进出弯角等等）每个车架会承受不同的阻力和牵引力，这可以使车架在水平方向上产生推拉以至变形，这种情况就好象将一个长方形拉扯成一个菱形一样。
其实车架的好坏并非物理指标就可以涵盖，所以即使有超强的新车架出现，最传统的车架形式依然存在，正因为此，以下的内容才有了发布的意义。
Ladder Chassis（梯形车架）
梯形车架还有一个更为人熟知的名称—阵式车架，是最早出现的车架形式。顾名思义，梯形车架的样子就好象一条平躺着的梯子由两条纵向的主粱（longitudinal side member），结合许多大小（粗细）不同的副横梁（cross member）所构成的，有些情况还会加上斜梁（cross braces）作巩固。直到上世纪60年代，它仍然被大部分汽车所采用。随着不同形式的车架设计的诞生，梯形车架应用到一般小轿车上的情况越来越少见，（简直是罕见！）除了专门的越野车，如Jimmy、Landcrusier或者Trooper等，现在只有商用车才使用梯形车架。
越野车使用梯形车架主要是看中它车身和底盘分离的设计，车架和车壳作非固定连接，在越野行走的时候，崎岖的大幅路面上下落差环境，会导致车架的大幅扭动，如果是一体式车架的话，很有可能随时扭到连车厂都不认得这是自己造的车！！！梯形车架的非水平扭曲刚性其实并不理想，一样会产生大幅的扭动，分离式车身正好阻止了车壳的扭动。另外这种车架的前向抗曲能力（即对抗前方正面撞击力的能力）非常的强！所以这款车架仍被越野车普遍的使用。
至于商用车由于梯形车架的负载抗曲能力高，而车架先天造就平台造型，无论对营造车厢空间还是栽货空间都有极其正面的作用。
梯形车架的优点也造就了它的缺点，平面结构令它的非水平扭曲刚性相对于一体式车架来的低，而车架的设计不善于造就重心水平低的汽车（技术上完全可行，但是没有必要）对于以操控性作为出发点的汽车这种特性当然与他们的宗旨背道而驰。
Monocoque（一体式金属车架）
顾名思义，使用一体式车架的汽车，整个车身的外壳本事就属于车架的一部分。所以它不同于传统的梯形车架或者管式车架，需要在车架外包裹外壳。
事实上，按严格的定义来说，一体式车架都是由不同的组件装嵌而成的，其中最大的一块就是地台，其余的如车顶、侧板大小各异，所有的板件都是由高压压模机压制出来的，利用机械臂做电焊处理，有的甚至使用激光焊接技术。整个制作过程短至数分钟便可宣告完成。
由此可见，一体式车架之所以那么流行，主要原因是为了适应高度机械化的流水生产作业大量生产，这样做可以大大的降低生产成本。而且一体式车架先天拥有良好的撞击保护能力，车头以及车尾加装副车架一方面有利于吸收撞击所造成的冲击力，另一方面对车架行驶的刚性也有所帮助。其次，一体式车架能够预留用以吸收撞击能量的褶皱区外，车架本身的包裹式构造还可以将褶皱区域吸收不完的能力经过车柱分散到车体的其余部分，避免猛烈撞击力在瞬间过于集中而对乘客造成严重的创伤！相对于其他的车架构造，一体式车架没有高而阔的门榄、防滑动支撑架和大型的传动轴管道等，空间的利用率极高。
凡事总有正反两面，一体式车架生产前的配套投资极其庞大，绝对不适合小批量生产。比如市场层面较窄的跑车市场，现在只有PORSCHE使用一体式车架。
另外一个明显的缺陷就是一体式车架因为使用大量的金属，重量偏高。外壳的作用主要是用来营造理想的空间效果，而车架的设计主要由金属钢片构成，虽然钢片已经作了开坑的加强韧度处理，但是在物理结构上的刚度，特别是非水平扭动（longitudinal torsion），始终不及钢管式车架。如果以重量和刚性比来作比较的话，使用同等金属重量所制作出来的一体式车架是所有车架中刚性表现最不济的。
顺便可以提一下的就是车架的后天改装问题。坊间流行为汽车加Bar也不是一天两天了，但是无论是顶塔或者底塔，增加的只是车体上部分空间结构的刚性，但是车体其他部分的抗扭度依然没有丝毫的提高，也就是说，原来过弯时，整个车架的扭动现在被车架中间部分的扭动代替了。所以Tower Bar及其量只能提高驾驶的感受，至于真正的车架刚性的表现则很难说。但是有一种情况是例外的，那就是原厂在设计时已经考量了车架的longitudinal torsion，加装tower bar已经是设计的一部分。
ULSAB Monocoque（超轻量一体式车架）
既然ULSAB Monocoque可以单独被罗列出来，自然有其独到之处。不过首先还是要交代一下它的出生。
传统的一体式车架其优点是对于大量生产成本相对较低，拥有较强的空间效能同时撞击保护能力较强。缺点是车身沉重，初期投入很高，无法做少量生产。在上世纪八、九十年代开始，国际汽车的安全规格开始迅猛的发展，各大车厂除了发展不同形式的主/被动安全设备以外，也开始着手于设计撞击刚性更高的车架。虽然当时超级计算机已经可以辅助设计出理想的车身结构，但是也无可避免的使更多的钢材被应用到车身上，使得车架重量进一步增加。制造商为了兼顾汽车的性能和环保表现，则着手研究别类的车架金属的应用，希望借此克服传统一体式车架重量偏高的缺点。最为人所知的HONDA NSX 和 AUDI A8就是在那样的大环境下开始使用全铝合金一体式车架的。而更多的车厂在使用部分的铝合金零件（如汽缸体、副车架、车身结构板块、和悬挂摇臂等）来取代传统的钢制零件。这对于许多钢铁制造商来说无疑是沉重的打击，如果汽车工业越来越趋向于使用铝金属的话，他们的生意以及赢利必然会受到重大的影响。为了避免更多的车厂选用铝而放弃钢铁，一间美国钢铁制造商，委托了PORSCHE ENGINEERING SERVICES研发了新型的钢制轻量车架技术，成为了今天的超轻量一体式车架（Ultra Light Steel Auto Body）。这也是为什么PORSCHE会选用一体式车架的原因之一。
在结构上，它与传统的一体式车架无异。轻量化的主要原因是车的板块由Hydroform形式压制，简单的讲就是以高水压压制。传统车架用高重量压模机压制的车架模块，效果就好象用纸盖着硬币，然后用铅笔素出图案的效果。车架和车壳的板块因为压模机的压制细腻度有所规限，整体厚度和设计的厚度有一定的出入，尤其在弯角和边缘的位置，在压制后肯定是最薄弱的地方。为了弥补这个缺陷，整个车架在压制时会刻意做的厚一点，就是说用厚一点的钢板去迁就这些最薄弱的位置都符合最低的厚度要求，从而达到刚度要求。
Hydroform利用极高的水压，将钢材压迫成所需的车架形状。因为水的压力是平均的，不同的地方所受的压力同样是相同。这样就解决了车架冲压受力不均的问题，车架便可以造得更薄了。
ULSAB在98年公布了一份申明，Porsche Engineering Services声称它比传统的一体式车架轻36%，而刚性则提高了50%。现在BMW 3系和 OPEL ASTRA的部分车架都使用这个技术。
Carbon-fiber monocoque（一体式碳纤维车架）
想解释清楚这种车架，就必须首先解释一下碳纤维的构造和特性。
关于碳纤维这个词，大多是从赛车报道中首先遇到的。现在的F1赛车身上90%为合成物料，而这些合成物料中90%就是碳纤维！不过非常有趣的是，虽然F1赛车上的这些碳纤维部件超级的昂贵，不过其实它和我们身上所穿的化纤衬衫（Rayon shirt）有着相同的渊源。
现在这个世界上有两种物质可以制造碳纤维，其中一种就是人造丝（Rayon）。Rayon是一种丝质的人造纤维，由纤维素（cellulose）所构成，而cellulose是构成植物主要组成部分的有机化合物。另外一种能制造碳纤维的物质是丙烯酸纤维（Acrylic fiber），学名应该是Polyacronitrile（PAN）。
制作碳纤维的方式会因生产商的不同而稍有不同。以McLaren F1赛车为例，车上的碳纤维板件的制作过程大致是先将人造丝或者丙烯纤维放在热框架上加热到摄氏250度，然后再以摄氏2600度在铁炉内加热，使之炭化为碳（Carbon）以及石墨（graphite）。炭化后的纤维会以每三千条微丝卷成一条0.1mm粗的细丝，并以之编织成网状图案，成为碳纤维布（碳纤维板的高强度就得意于这种单纤维整齐排列、紧密成束的内部构造）但是如果碳纤维布不再进行进一步加工，在室温环境?挥性既?斓氖倜??蚀苏庵痔枷宋?家话愦娣旁诹阆?8度的冷柜里，这样寿命可以延长到18个月。
碳纤维布之所以不马上加工成为碳纤维板，是因为车身的不同部件对碳纤维板的性质要求略有不同，有些碳纤维板用于车身结构上直接受力，而有些则用在阻流器上，有些则要经过特别的耐高温处理。（其实碳纤维板已经比普通的钢材耐高温，而且在一定的温度范围了，随着温度的上升，它的强度会逐渐的增大。一般钢在摄氏635度就会软化，当温度进一步上升到摄氏1400度，钢材就会开始融化，而碳纤维材料却在摄氏20~2000度之间都保持持续的强度上升。）一般加工碳纤维板，都要将板件在模具中成型时加入合成树脂（resin）。而不同的板件性质就是由与加入不同的合成树脂所造成的。
加工碳纤维板的工作方法虽然有多种，但是基本工序都一样，都是将碳纤维布放置在加工模型的铝制模具中，将适合的合成树脂涂满碳纤维布，然后放到熔炉中以不同的温度、时间和压力溶制，令碳纤维融合，成为坚韧的碳纤维板件。
世界上有大小不同的碳纤维制造商，而专为汽车制造的碳纤维普遍只有几种，当中以高韧度和重量比例见长的一种叫作Kelvar。Kelvar由著名的杜邦化工开发的，用途主要是汽车、赛车乃至飞行员的头盔。
总的来说，碳纤维和传统钢材比较，其性能具有压倒性的优势，密度要比钢材低4倍左右，而强度和硬度都是钢材的两倍。但是其实碳纤维也非完美的材料，虽然它很坚韧，但是却有受力向度的问题，也即是说，整体中的某些部位不太能受力。
碳纤维应用于汽车是80年代初的事，当时的FIA允许Group B赛车使用任何汽车技术于赛车之上，唯一的限制是有关的赛车必须生产200辆民用版本公开发售，以次作为推动汽车发展的动力，同时也限制了过于离奇的技术所造成的不公平竞争。于是在那时，陆续出现了许多使用碳纤维部件的跑车，例如Ferrari 288 GTO PORSCHE 959，不过当时碳纤维的使用仅仅用于车身的板件，而目的也仅仅限于减轻赛车的重量，碳纤维板本身根本没有提供任何的车身刚性。更别说一体式碳纤维车架了，当时的959使用的是一体金属车架，而288GTO、F40、DIABLO使用的都是钢管式车架。
最早出现的一体式碳纤维车架不难猜出是出自于F1赛场，1981年McLaren MP4/1的设计师John Barnard设计了全世界第一个一体式碳纤维车架，而在超级跑车的行列中现在应该只有4辆使用的是一体式碳纤维车架。它们分别是McLaren F1 Ferrari F50 Ferrari Enzo Bugatti EB 110SS（EB 110 GT不是使用一体式碳纤维车架的）。而其他声称使用碳纤维的跑车最多不过在车架补强方面使用碳纤维，更多的是使用在装饰部分上。
在结构上，一体式碳纤维车架没有即定的格局，几乎每辆车都根据自己整体的情况特别设计车架，其中值得一提的F50，F50的车架有一个很大的特色，就是后悬挂直接连接在引擎及变速箱上，然后才将整个引擎悬挂结构嵌入车体内。籍此F50的车架只重102kg，而抗扭度高达没有人性的3550kgm/degree。这种设计可以营造极轻量的悬挂重量，但是无可避免的回有较大的引擎震荡传入车厢。
碳纤维的制作成本已经从数年前的100美元/公斤下降到了约5美元/公斤，可见只要解决批量生产的问题（碳纤维的铸造主要依赖手工，属于劳动密集型生产）碳纤维很快就会被使用于民用汽车。
Aluminum Space-frame（铝管式车架）
89年面市的NSX十分明显的是一体式的结构，只是车架的材料由铝取代了传统的钢材。虽然HONDA和AUDI为了谁是最早采用全铝制车架的车厂至今纠缠不清，不过这也许并不重要，所以也没有必要在这里讨论。
其实铝管车架也有多种形式，所以我就挑两种最具代表性的形式加以介绍。
AUDI SPACE FRAME（ASF）
上一代A8在94年推出，重点技术便是和美国制铝商Alcoa合作开发的铝管式车架。虽然从名字看铝管车架更似钢管车架，不过，铝管车架并没有像钢管车架般用交错的钢管支撑车身的结构，而是和一体式车架极其相似。
以A8和A2为例，它们的ASF车架结构在外型上基本是一体式的构造，车架本身已经勾勒了车身的线条，与一体式车架稍有不同的是少了一些一体压制的车身板件，取而代之的是增加大量的管状结构分布，如果足够仔细的观察A8的车架图，不难发现这一点。
根据AUDI公布的数据，使用ASF的A8比使用传统一体式钢制车架的车辆能减轻高达40%的车架重量，与此同时整体车架的刚度也有40%的增加。
ASF已经进入了第二代的技术，车架的部件全部由高刚韧度铝合金以高压吸塑、真空整裁或片状构成制造，并以小钢钉以非单一的焊接方式焊接而成。比起上一代的A8车架，新技术尽量使用大一点的框架，减少框架内使用铝管的数量，相对也可以节省焊接的焊接点与时间。在焊接技术上也增加了激光的使用范围，虽然成本已较第一代有所下降，可是工序与技术始终同样复杂，所以成本始终较普通的一体式车架高出很多。但是毫无疑问，只要能够大量的生产，尽量降低成本，ASF铝管车架是很好的车架设计。
Lotus Aluminum Chassis
对于产量偏低的莲话车厂来说，搞铝车架搞到像AUDI ASF这样的层面是不现实的，因为在成本上这完全超越了车厂的承受范围。但是轻量化始终是LOTUS的灵魂，所以车厂求助于丹麦铝窗制造商Hydro Aluminum，希望凭借该厂对铝材性能的了解，能降低成本制造轻量化同时坚固无比的跑车车架。
ELISE身上革命性的铝制车架，利用挤压方式（Extrusion）将车架模件挤压成型，不过它最正点的地方在于Hydro aluminum发现，只要在铝件接合面上做化学处理，便可以用环氧树脂（Epoxy）将铝件刚硬的结合起来，而且使用在这个车架上的环氧树脂也是特别发展出来的，坚固度高的出奇。配合钢钉固定，使整个车架的抗扭曲度高达没有人性的1122kgm/degree也就是说，要使车架扭曲1度，用一根一米长的杠杆以1122kg的力量扭动下去！！！！！并且据原厂修理ELISE的技师称，即使经过撞击而车架扭曲的ELISE也没有一处结合环氧树脂的地方崩断。不过使用环氧树脂的意义还不止于此，另一个重点在于，能够避免以焊接方式接合铝件，好处是可以用上薄一点的铝材，这样可以进一步的减低车架的重量，因为焊接的接点往往是车架最薄弱的地方，要解决这个问题，就不得不使用厚一点的铝材作弥补。所以，同样使用铝管车架设计的Renault Sport Spider，以焊接方式接合车架，但在重量、抗扭曲度和挤压厚度的表现上都及不上ELISE。
ELISE SPORT SPIDER
车架重量 65kg 80kg
抗扭曲度 11000Nu/degree 10000Nu/degree
挤压厚度 1.5mm 3.0mm
从赛车的角度看，ELISE的铝管车架是优质而有创见的。然而，一个以碳纤维制造的（撞击盒）已经预设在车头部分，作用是用以减轻前方撞击时的损毁程度，但是这个车架设计却不善于吸收撞击能量，车架一旦撞击扭曲，维修费用都会高的惊人，同时修复工作也非常的复杂，因而往往令它不被修理就直接报销。
另一方面，有一个广为人知的事实就是，铝金属在受热到一定的程度后就会开始燃烧。如果引擎有漏油情况的话，点起轻微的火舌，而一旦发现的稍迟后肢车上没有灭火器的话，加上纤维车身助燃，火势随时一触即发，烧到连渣都不剩。所以用铝制车架的车内最好常备一只灭火器。至于AUDI ASF的身上有没有这样的隐患，或者在车架设计时已经克服了这样的问题，暂时我也没有足够的资料下定论。
Glass-fiber body（玻璃纤维车架）
也许很多人没有听说过玻璃纤维车架，其实这个世界上也只有一辆车使用过玻璃纤维车架，不过，玻璃纤维大量的被运用到汽车上是不争的事实，所以就当追忆古人，在这里谈一谈玻璃纤维车架。
对不少的汽车界专业人士而言，玻璃纤维是极其理想的制车材料。它比钢甚至铝更轻巧，可塑性高，也不需要担心生锈的问题。而且它的加工成本极低，最简陋的一些基本工具加一双手就可以制作玻璃纤维了。我不知道该说玻璃纤维有英国情节还是应该反过来说英国跑车有玻璃纤维情节，反正它们有着纠缠不清的种种关系。而和玻璃纤维最投机的要属命运多舛的LOTUS。直到今时今日ELISE和ESPRIT的车身仍然披着玻璃纤维的外衣。而第一部使用玻璃纤维车架和车身的汽车也出产于LOTUS。不错又是它—莲花，正是它于1957年推出了一体式玻璃纤维车架（Glass-Fiber Monocoque Chassis）轻量化跑车Elite。Elite的全车受力结构均有玻璃纤维制造，在当时而言，超前的概念就象今日的一体式碳纤维车架一般。无论引擎、传动系统以至悬挂的固定位置，都完全的嵌入玻璃纤维车架之中，结果车重是惊人的660kg。
可是Elite注定只是一颗流星。这点大家其实不难理解，引擎、悬架和传动系统这些不断受压摇晃的部件，对车架接点的要求是极其苛刻的。而玻璃纤维却有着很大的先天物理宽容性，车身板件与板件的夹位不能造的精密，对机械受力的问题上一直都存在隐忧，夹位会随着时间的推移越变越大，最终影响行驶的稳定性、乘坐的舒适性和安全性………LOTUS于59-63先后4年间不断加大用以维护Elite车架稳定性的资源投入。最后在生产了988辆之后终告停产，所谓的第一辆使用玻璃纤维车架的汽车也成为了最后一辆！
以后使用玻璃纤维的汽车无论是Elan Marcos Corvette或者稀有的Venturi都只限于非受力的车壳部分。换句话说玻璃纤维只是美丽的外衣而已……..

qiuzhengguang

汽车造型设计知识讲座（三）
汽车的布局
一、何谓布局？
   这里所讲的布局，是指如何安排一部汽车的各个组成部分在整车中所处的相对位置，即全车的整体布局。布局方案一般是由总工程师决定的，但对于车身造型设计师，很好地理解甚至具备确定总体布局的能力也十分重要，这是因为与其他工业产品相比，汽车构造的复杂多变性要大得多。以电视机为例，所有电视机的内部结构大多相差无几，大致上都为立方体，造型（即外壳）所要提供的功能也不多，因而电视机外壳的设计就不需要具备什么“布局”观念；但是汽车的内部结构比电视机复杂得多，使用功能的要求很严格（如乘员/载货的空间、人体工程学的要求等），这些构成了很多在造型设计过程中必须遵循的条件。因此，汽车造型设计师必须具备很清晰明确的布局观念，才能设计出具有优秀功能性的汽车外型。事实上很多突破性的布局方案都是由造型设计师在概念设计的阶段构想出来的。
二、布局元素
   一部汽车的布局元素包括发动机、传动系统、座舱、行李舱、排气系统、悬挂系统、油箱、备胎等，其中前三者：发动机、传动系统和座舱是决定布局的三要素，按这“三要素”可将布局方式分为前置引擎前驱（FF）、前置引擎后驱（FR）、中置引擎（MR）及后置引擎（RR）四大类型，确定布局类型后，其它部件可采用见缝插针的原则。一个优秀的布局方案应该在使各部件工作良好的基础上满足应有的使用功能（如载人、运货、越野等）。
   下面对各种布局方案作简单介绍：
1）前置引擎后轮驱动（FR）
    如图A，引擎纵置于车头，纵向与变速箱相连，经过传动轴驱动后轮。最早期的汽车绝大部分采用FR布局，现在则主要应用在中、高级轿车。它的优点是轴荷分配均匀，即整车的前后重量比较平衡，因此操控稳定性比较好。据物理原理的计算，后轮作驱动轮时，轮胎的附着利用率要优于前轮驱动，这是中、大型轿车（马力、扭力较大）都采用后轮驱动的主要原因。FR的缺点是传动部件多、传动系统质量大，贯穿坐舱的传动轴占据了坐舱的地台空间。为了容纳传动轴，凡是采用FR的房车，其后座中间座椅的地台都是隆起来的，大大影响了脚部空间和乘坐舒适性，这可以说是FR的最大缺点。
2）前置引擎前轮驱动（FF）
   将引擎横置在车头，经过变速箱直接驱动前轮，就可以免去传动轴，从而解决了FR布局的车厢地台问题。这种方案称为FF布局（图B）。FF是目前绝大部分微、小、中型轿车采用的布局方式。除了车厢地台降低外，FF在操控性方面也具有优势：由于重心偏前且由前轮产生驱动力，FF的汽车在操控性方面具有明显的转向不足特性，这在汽车操控性评价中属于一种安全的稳态倾向，是民用车的理想特性。抗侧滑的能力也比FR强。但之前也提到FF的驱动轮附着利用率较小，上坡时驱动轮的附着力会减小；前轮的驱动兼转向结构比较复杂，引擎和传动系统（变速箱、离合器等）集中在引擎舱内，布局拥挤，局限了采用大型引擎的可能性。这是大型轿车不采用FF的主要原因。针对这个问题，近年来出现了纵置引擎的FF布局（以前FF的引擎都是横置的），从而可以采用较大型的引擎。例如配3.5升V6引擎的本田Legend和2.8升V6的奥迪A6，都属于为数不多的中大型FF轿车。
3）后置引擎后轮驱动（RR）
   早期广泛应用在微型车上，因为其结构紧凑，既没有沉重的传动轴，又没有复杂的前轮转向兼驱动结构。它的缺点是后轴荷较大，在操控性方面会产生与FF相反的转向过度倾向，即高速过弯的稳定性差，容易侧滑。现在仍采用RR布局的轿车已经很少。保时捷911是其一，而它极易甩尾的操控特性也是出了名的。
4）中置引擎后轮驱动（MR）
   即引擎放置在前、后轴之间的布局方式。最大的优点显然是轴荷均匀，具有很中性的操控特性。缺点是引擎占去了坐舱的空间，降低了空间利用率和实用性。因此采用MR的大都是追求操控表现的跑车。
   一般的MR布局，引擎是置于座椅之后、后轴之前的，这样的布局在情理之中；近年出现了一种被称作“前中置引擎”的布局方式，即引擎置于前轴之后、乘员之前，驱动后轮。从形式上这种布局应属于FR类型，但能达到与MR一样的理想轴荷分配，从而提高操控性。宝马3系列、本田S2000都属于这种类型。
5）四轮驱动
   无论是前置、中置还是后置引擎，都可以采用四轮驱动。由于四个车轮均有动力，附着利用率最高，但重量大、占空间是它的显著缺点。此外动力流失率比单轴驱动大。四轮驱动过去只用于越野车，近年来随着限滑差速器技术的发