碳纤维一体式车架

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碳纤维一体式车架（Carbon-fiber monocoque）可算是一种特殊的一体式车架。其与一体式车架最大的区别当然就是在于材料。

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，在室温环境下只有约三天的寿命，故此这种碳纤维布一般存放在零下18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凯夫拉尔（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、防弹衣等。

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有一些使用的就是一体式碳纤维车架或者碳纤维与钢管复合车架的形式。如：McLaren F1、 Ferrari F50、 Ferrari Enzo 、Carrera GT、SLR、Koenigsegg CCR、Maserati MC12、Pagani Zonda F、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或者某些要减轻重量的地方使用碳纤维（如M3 CSL 、360CS、M6等），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。

纽基

一个比较失败的车子，没按照几何力学原理设计。

炮灰团长

不同意楼上观点,除了第一张图片不大懂之外,其余几张的几何结构,车身受力的传递等都是很好的啊

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一个比较失败的车子，没按照几何力学原理设计。
纽基 发表于 24-7-2010 20:34

    第一张图是概念车的，不是真车。

纽基

不同意楼上观点,除了第一张图片不大懂之外,其余几张的几何结构,车身受力的传递等都是很好的啊
炮灰团长 发表于 28-7-2010 09:48

团长，如果可能的话，找机会，我要是能和你当面谈谈，我能用1小时时间去证明这个骨架的设计是不正确的。
如果我谈不出理由和证据，随便您惩罚。
您说“车身受力的传递等都是很好的啊”。那我想您一定画过了力的传导路线图了。很大一部分经过A柱往后传递。问题就在这里。提示一下哦，嘿嘿

hfut_yw

回复 5# 纽基


    我看您经常提到车身设计中的几何力学，请问一下几何力学具体指什么啊，和《材料力学》有关系吗？？

纽基

回复  纽基


    我看您经常提到车身设计中的几何力学，请问一下几何力学具体指什么啊，和《材料力学》 ...
hfut_yw 发表于 31-7-2010 12:50

和《材料力学》有一定关联，但更关注几何造型的影响。
我举个最最简单的例子：
100年前，早期的自行车都是方形的，圆形的，什么椭圆的。。。车架造型是千奇百怪，无所不有。
但自行车的车架刚性和强度始终不好。于是，有人提出“使用最最先进的材料”，“使用最最先进的焊接工艺”。。。。
但收效甚微！
也就是在这个100年前的某天，法国一位农夫想到了一个主意“三角形的力学结构不就是最稳定，刚性最大，几乎都纯刚性的么？”
这个想法从脑海闪过，这位农夫利用铁管子焊接了一个三角形的自行车架。
100年后的今天，除了女性用的自行车，只要是男性用的专业领域的自行车，承受冲击最大的那些车架， —— 哪一个不是经典“双三角形”的？？？
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上述故事，就是在启发我们“到底是一味的拼材料，拼工艺，还是拼结构”？
而结构，就是由很多很多最简单的几何造型构成的。（世界上任何复杂的空间结构，都能拆分到最底层的无数最简单几何）。
《几何力学》研究的，正是这个领域。
《几何力学》的主要方法，就是把复杂的空间结构，一层一层的确分解，分解到最底层的平面几何。然后按照不同点的受力情况，去分析每一层平面几何的错位和变形的趋势。最后整合到立体结构上做综合对应比照。模拟出整个结构体在某种受力情况下可能遇到的问题。
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再举个例子：
你手里有一条绳子，你想把它顶弯。那么你仅仅需要动一下手就能做到。（绳子是软的，可以任意扭曲）。但是，如果你想拉断这个绳子，那么你会很累。绳子也会绷直。
在钢铁的立体受力结构中也是如此：当一个结构中的主要受力体，在遇到某种外来力量的时候，能从“几乎不受力”变为“承受拉力”状态，那么她就是最安全的一种结构，同时也是最稳定的一种结构。
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好了，简单介绍到这里。希望你喜欢。

老柴

楼上的分析很到位，可是 三角形 毕竟只是为了满足自身的构架强度，在汽车上，为了通过碰撞试验 单纯的三角形结构式不靠谱的。
现在的车架大都是连续的“H”型或“工”字型的。同时会在有意设计成 Z 字型的，有利于传导碰撞力、吸收能量，利于通过碰撞。