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【汽車知識】底盤大進化 汽車歷史演進精彩縮影


刊登時間: 2018/08/13


從古埃及人和西羅馬帝國戰士競技征戰時所乘的雙輪馬車,一直到近期內車展所發表的McLaren P1新世代超跑,從古至今人類的座駕不論繁簡卻有著一個共同特徵,那就是人類發揮懶功役物之餘還能用盡巧思追求舒適;在車體和車架結構隨著科技進化推陳出新之餘,我們可以從各個鉚釘螺絲間細數出專屬汽車史的年輪,饒富意趣的品味那各種專屬於速度的萬千故事,並且展望未來汽車底盤的發展趨勢。對交通工具性能的要求自古以來一直是人類茶餘飯後熱衷的項目,打從18世紀末首度將蒸汽機運用在車輛上以前,老祖先花了百萬年的時間培育馬匹,成為魁梧雄壯,可日行百里的動力來源,載具部分亦針對轅桿和軛進行改良以提昇動力傳輸效率;進入工業社會以後,蒸汽機導入車輛取代獸力,機械的高動力輸出打破了許多獸力車輛時代的限制,之後更廣泛利用效率更高的內燃機使人類的移動距離大增,不過這些科技進化項目卻怎麼也比不上一個項目那樣自始至終的終於原始概念,同時也始終呼應我們數千年來追求行車舒適性的慾望,那就是底盤技術。


由古埃及壁畫遺跡中,我們可以看到數千年前的古埃及人已懂得打造堅固的雙輪馬車來厚實軍隊實力。


很難想像剛脫離新石器時代沒多久的人類就有足夠智能,在培育馬種之餘還能運用簡單的結構設計提昇車輿內乘客的乘坐舒適度,相信最初的人類想到的是,就算馬兒再馴再敏捷,沒有堅固且緩衝震盪的車身結構,車廂內的乘客就等於在跌盪不已的行車狀態下受罪,過彎也會喪失循跡性,更無法在高速下行駛。



從舊時代的馬車我們可以見到汽車發展初期的雛型,四輪配置、簡單的皮帶或葉片彈簧作為避震裝置、木造車廂設計,唯一的差別就在於獸力與內外燃機的採用。


底盤,數千年智慧結晶

回溯到人類還在奴役馬匹做為交通工具的數千年間,古老的先人早就知道要在車軸和車身間加裝彈簧來提昇乘坐時的舒適性和車體耐久度,而在車輛上運用彈簧的時間我們最早可回歸到距今三千三百多年前古埃及圖坦卡門時期,這強大且愛好征戰的王朝為達到戰爭和國內競技的目的,整個國家的器械機具工藝技術達到巔峰,人類歷史上最早的戰車應運而生,多幅式輪圈、輪軸、軸承以及軸承上以皮帶構成的減震配備等元件就等同於古埃及建築力學智慧之縮影,看似簡單的結構,就算以現代的科技或許也無法突破當時的製作技術,而這些基本元素的組成卻影響迄今的底盤發展史甚鉅。



Ford Model T具備最早期的圈狀彈簧,該配備當年被稱作Hassler避震器。


時光走到西羅馬帝國時代,結構簡單但承載效果驚人的片狀彈簧正式出現在史書上,由馬匹拖行的雙輪載具裝上這項俗稱葉片彈簧的裝置依舊跳脫不出戰士征戰、國家競技場合或王室貴族用車範圍,這項木質葉片重疊而成的避震裝置之後輾轉運用在各式攻城器具上,從歐洲到中國都出現過這項設計,並且一路延續到19世紀乃至於現今,只不過在馬車橫行的時代,輕型的車廂採用木質片狀彈簧,車重較重的馬車則改用碳鐵葉片。



最早的Fastback車款──1933年的Stout Scarab旅行車除了驚世駭俗的車體流線外,獨立氣壓式懸吊系統設計更是史無前例。


只不過當時英國的鐵製彈簧用在歐洲平坦的街道上尚可,但面對新大陸崎嶇不平的道路卻顯得捉襟見肘,甚至在高速過彎時車廂還容易解體,於是美國新罕布夏州康科特市的Abbot Downing公司就發明了一種命名為Thorough Braces的皮帶式懸吊系統,對於當年馬車設計來說這項裝置可說是破天荒的創舉,因為舊式的彈簧只能減緩上下震盪,不像Thorough Braces可以讓馬車做橫向擺盪,猶如安裝兩輪的龐大搖籃般,因而為車體帶來更優異的舒適性和安全性,於是在1847年兩位公司創始搭檔在拆夥前,Abbot Downing 公司賣出了將近700部配備Thorough Braces懸吊的馬車。



MP4-12C的Carbon MonoCell座艙採單片式一體成形碳纖維材質,其他再衍生出大樑等底盤結構組成車體,與其說是Body-on-frame,還不如說是Body-on-monocoque。


到了外燃機和內燃機成為車輛動力來源的新時代,獸力車時期的懸吊已追不上工業革命中後期交通工具的動力提昇,於是一連串更先進的懸吊設計於焉展開,其中影響近代最深的當推避震器的發明。在避震器運用在車輛以前,1898年法國自行車手J. M. M. Truffault便將氣壓式避震筒運用在他的單車上,隔年,Truffault便偕同美國自動車愛好者Edward Harford合作開發第一款氣壓避震器,這項設計到了1901年便被M. A. Yeakley加以改良為分別裝載在四輪上的獨立懸吊系統。



避震器發展至今,近似於F1賽車避震機制的水平式避震器為Lamborghini Murcielago等超跑或一般高性能房車追求直接精準路感的首選。


另一項改變人類汽車史至今的發明便是液壓避震器,1901年C. L. Horock創造出現代化避震器的雛形,也就是回拉伸長行程的活塞閥體阻尼器,在內含油料所產生的反作用力以針對地面衝擊力提供更緩慢的緩衝效果,產生更軟Q緩和的避震性,於是在隔年至1903年便普遍被運用在賽車運動上,其影響力後來更導引出1908年福特在T型車身上所採用的氣、液混合式避震系統,乃至於1933年首度出現在Stout Motor Car Company流線小型休旅Scarab上以橡膠緩衝墊片取代圈狀彈簧的新型四獨立氣壓式避震器。




車體演化

不管是最早的蒸汽機外燃式引擎,內燃式的汽油引擎、柴油引擎、油電混合動力或純電動型式等車輛,從古迄今的車體結構設計只有一個目的,那就是追求安全性和乘坐舒適性。當1984年Volvo宣佈車身元件多利用環氧化合物以進行精密的Tack-Weld暫時性熔接技術,從此車體焊接點便精簡了4000到500個單位,但環保且極簡工法的創舉並非前無古人,19世紀中期後的馬車車廂便已使用酪蛋白黏著劑來固定車身,不過以當時的技術大概也只能如此。早期的木造車體大大的限制住車廂設計者的發揮空間,木材充其量頂多只能利用蒸氣彎曲成想要的形狀,所以每部車廂車身的元件及飾條皆大同小異也就不足為奇。


Lotus最後一部贏得F1大賽冠軍的99T具備電子式液壓主動式懸吊系統,其18個動態感知轉換器還可以將訊息傳達到四個電子控制液壓調整桿上依路況調整。


進入20世紀後,鋼材和鋁合金逐漸成為汽車車身結構和鈑件原料,車體的形態開始變得不那麼照本宣科。落槌鍛造及壓力鍛造技術大約於1900至1910年間純熟,液壓延展成型則大約於1920年間發展出來,在此同時,車體設計同步採用木質及金屬材料長達十年之久,之後金屬材料逐漸成為強化車體的主角,木質材料成為輔助材料,1909年開始由Hupp Motor Company所生產的Hupmobile旅行車便是一例。



1905年Daimler的「American Mercedes」具備最早的底盤車身分離式車體結構,這種原始的車體結構到後期漸漸僅使用在貨車或越野車上。


在造車材料進化的同時,車體結構的演進也是造就現代汽車歷史的精采章節。超過百年之前,人們便開始採用非承載式車體結構來作為底盤主體,只不過當時礙於材料技術,車架幾乎為木製品,而汽車也為接單訂做的生產模式,消費者必須在選定底盤後選擇車身式樣。



所謂Monocoque單體車體結構便是所謂的底盤加上車殼,尤其近代設計在延續傳統製造方式外,更逐漸以鋁合金甚至碳纖維材質替代鋼製車體,有助於車體重量減輕30%以上。


1930年代以後的非承載式車體開始運用鋼鐵,以梯形或矩形車架結構為主,屬於Body-on-frame的車身車架分離模式,其最大的特徵便是具備大樑,有易於設計、生產和修復,且在車身周圍橡膠墊片與車架間的隔離下,車艙也顯得相對安靜,但缺點是重量過重,過彎時承受扭矩變化的剛性較差,於是在1950年代以後便逐便被承載式車體結構所取代,特別是一般小客車的產品領域開始採用一體成形式車體,在一塊龐大的地台上加上長縱樑並焊接或鉚接橫樑形成A、B、C甚至D柱,同時接上車頂和側板等構件;在汽車漸漸成為普遍的消費性商品後,一體成形車體結構相當符合各品牌高度機械化生產線的生產趨勢,不僅能夠節省成本,車頭和車尾處加裝的附加車架也能形成潰縮區來緩衝撞車時的撞擊力道,為駕駛人和乘客提供更優異的安全性。



Impreza WRX STI後車軸上便是配置雙A臂懸吊,雙A臂的優點便是擁有比非獨立懸吊更優異的轉向性和舒適性。


儘管承載式車體較古老的非承載式車架輕了許多,但後期的工程師還是極力專注於新材料的開發和生產技術,以追求車體結構在輕量化和高剛性上的無限提昇。同樣的鋼鐵材質在含碳量和合金比例的調整下有著更高的強度,像是擁有高強度的低合金鋼,各種鍍層、塗層、複合材質運用的鋼材,輕型鋼結構的導入,抗腐蝕性的鋁合金車體,高強度硼鋼運用在B柱和大樑上,乃至於近期的CFRP碳纖複合材料,種種科技演化均著重在不增加重量的前提下,讓行車安全發揮到極致。



多連桿的運用除了增加操控性外,還可以帶來更多車艙空間的運用。



瓦特連桿式懸吊雖然是一項發展超過百年的古老設計,但迄今像Opel Astra等車款的後懸吊還在使用改良過的這類裝置。



BMW家族最愛使用麥花臣懸吊是把傳統的雙A臂下擺臂變成了兩根獨立的連桿,轉向節點會隨著車輪轉向而有所變化。



Juke前驅版本的前輪為麥花臣懸吊,後輪則為扭力樑式設計,但高性能版的Juke-R卻改為GT-R的前雙A臂、後多連桿設定。

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