自從1941年全球首台越野車--威利斯誕生後,“硬派越野車”似乎就與帶大梁的非承載式車身結構深度綁定在了一起。可誰承想,這種大梁之於硬派越野車,就像是水之於魚的關係大概持續了70年的時間後,魚竟然離開水上岸了!帕傑羅、衞士、發現5等硬派越野車竟然紛紛轉向了“無大梁”的承載式車身,這究竟是為什麼呢?!
為了避免大家產生閲讀障礙,在瞭解“大梁”為什麼被淘汰之前,咱們先來簡單講解一下“大梁車身”與承載式車身有何不同。實際上,在汽車的官方叫法中,並沒有“大梁車身”這一説法,如果一台車擁有大梁,則會被稱之為“非承載式車身”。而之所以會有“大梁車身”的叫法,主要是因為非承載車身的英文是“Ladder frame”,直譯過來就是“梯形框架”的意思。而梯形框架由於就像房屋的承重大梁一樣承載着車身,所以才有了“大梁車身”的叫法。
非承載式車身主要由兩根縱梁加上若干用來補強結構的橫樑組成,以此來形成類似“井”字型的框架。由於車輛的懸架、發動機、變速箱、轉向機構、油箱等部件都是直接固定在框架之上,所以對於非承載式車型而言,即使沒有上方的車殼也是可以開走的。
而佈置在大梁上方用來坐人的車身,則會以螺栓加橡膠圈的方式與大梁進行固定。這也就意味着,大梁與車身之間並非是純剛性連接,所以當車輛因為路面不平整而出現一定的變形時,整車的扭轉力基本都是由大梁來承受的,上方的車身基本不受力。這也是Jeep牧馬人、福特Bronco能輕鬆拆卸車門、車頂,而不會對車輛結構產生影響的原因。
與非承載式車身不同的是,承載式車身並沒有真正意義上的底盤,它是作為一個整體來進行設計,並通過焊接的方式形成剛性連接的。所以當車輛因為路面或自身動態承受各種方向的彎曲和扭轉時,車架的A、B、C柱,車頂、車底橫樑以及中央通道隆起等結構都會一起參與受力。
此外,民用車為了保證下地庫、過橋洞的便利性,所以車身高度通常都不會高於1.9米,但由於非承載式車身的車殼都是落在大梁之上,而大梁自身的厚度又比較大,所以在車身高度近似的情況下,沒有大梁的承載式車型在縱向空間方面便會有着得天獨厚的優勢,這也是城市SUV會採用承載式車身的原因之一。
在瞭解了兩種汽車主流底盤構造後,下面我們就可以來聊聊為什麼越野車在誕生後的70年時間裏都與大梁深深綁定在一起,以及為什麼很多越野老炮對帶大梁的越野車情有獨鍾了!
最小離地間隙
在汽車行業中,為了將車輛的通過能力進行更直觀的展示,於是便有了“最小離地間隙”這個可以量化的數據,即車輛滿載、靜止狀態下,底盤上最低部件與地面的垂直距離。而對於主打通過能力的非承載式越野車而言,為了保證通過性,自然不會把最小離地間隙設計的太小,像是Jeep牧馬人就擁有着251mm的原廠最小離地間隙,可以説是相當殘暴了。
但這並不意味着採用承載式車身的SUV的離地間隙就一定會小於非承載式車身,因為像是一些搭載空氣懸架的百萬級SUV,在升高懸架後也同樣能達到很誇張的最小離地間隙數字,像是寶馬X5就擁有着和牧馬人近乎一致的250mm最小離地間隙。那麼問題就來了,這是否就意味着Jeep牧馬人能通過的障礙高度,寶馬X5就一定能通過呢?非也!
這是因為,承載式車身的底盤會為傳動軸、排氣等底盤部件設計凹槽,並且就連懸架部件(如上圖綠框內所示)基本也是“藏於”底盤內部的,最終底盤整體便會趨於一個平面,這便會導致底盤各個地方的離地間隙幾乎都是相同的。
反觀非承載式車身,由於它的傳動軸、排氣等底盤部件都是安裝在大梁結構附近,而懸架(上圖綠框)卻安裝在了大梁下方的車軸上(上圖黃框),並向上固定在大梁的兩根縱梁之上,相當於車輛的懸架直接將包括傳動軸、排氣等部件在內的大梁結構給架高了,所以非承載式車身的底盤並不會像承載式車身那樣,呈現出底盤各個地方離地間隙幾乎相同的狀態,而是後軸上的差速器牙包會明顯低於“底盤”,併成為離地間隙最小的位置,其它底盤部件也會明顯高於後軸差速器牙包。
所以即使寶馬X5和Jeep牧馬人的最小離地間隙幾乎相同,但如上圖所示,由於最小離地間隙對於寶馬X5來説是一個“面”,對於Jeep牧馬人只是一個“點”,所以採用非承載式車身的Jeep牧馬人的整體離地間隙還是要高於寶馬X5的。更何況,作為承擔非承載式越野車所有重量的部件,包括差速器牙包在內的車軸強度,也是要遠高於承載式底盤上的各種零部件的,即使磕了碰了也不會有太大影響。
門式橋輪邊減速器
但如果你還是嫌非承載式越野車的前後軸以及前後軸牙包會在越野中礙事,那還可以通過改裝門式橋的方法來大幅提高車輛的最小離地間隙。與普通車軸被固定在輪胎中心直接驅動輪胎不同的是,門式橋的車軸高度直接被抬高至了輪圈上沿附近,當傳動軸帶動車軸旋轉時,高於輪胎中心的車軸將會帶動一個叫做門式橋輪邊減速器的部件,由於這個部件的下端與車輪中心相連,於是便能將驅動力從高處的門式橋傳遞給車輪。
在使用門式橋之後,原本作為底盤最低點的車橋將會被大幅提高,車輛下方也會呈現出空無一物的效果,像是奔馳G的4x4²就原廠提供了這種硬核裝備。
由於非承載式車身上諸如發動機、變速箱、提供四驅的分動箱等硬件都會被安置在大梁的上方,而非像承載式車身那樣“暴露”於底盤之下,所以即使出現了嚴重拖底的情況,這些脆弱的零件也能在大梁的保護下,減少受傷害的程度。
無論是承載式車身還是非承載式車身,當車輛遇到交叉軸情況,即一個或兩個輪胎離地時,車輛自身的重量便會對車身造成不小的扭轉力,並使車身產生一定的形變。在十幾年前,由於車身製造技術還不夠先進,因此承載式車身的抗扭轉剛性是不如非承載式的。不過,近些年隨着車身結構、材料技術的突飛猛進,承載式車身在抗扭轉剛性方面又超越了非承載式車身。但如果是面對高強度的越野,無論是什麼車身形式最終也難逃車身變形的命運。
而當出現變形時,硬派越野車使用的非承載式車身結構就會展現出得天獨厚的優勢了。這是因為,非承載式車身負責承擔扭轉力的部件是大梁,而承載式則是整個車身。當發生變形後,非承載的大梁是可以通過類似鈑金一樣的技術恢復到接近車輛出廠時的結構狀態,這便是我們俗稱的“校大梁”。
反觀承載式車身,由於它的車身是一個整體,並且在設計之初的受力結構十分複雜,所以一旦車身發生變形,受力結構遭到破壞,就很難像非承載那樣通過“校大梁”的方式恢復到接近原廠的狀態。這也是承載式越野車在越野時受到猛烈衝擊導致車身變形後,其貶值率會遠遠大於同樣情況下非承載式越野車的原因。
50年前幾乎所有車都是非承載式車身
得益於非承載式車身是靠大梁來承擔力的關係,因此相比起承載式複雜的車身結構來説,非承載式在車身的設計難度和成本上就要低出很多了。同時,車身不受力的特性也為非承載式車身的造型師留出了更大的施展餘地,完全不用擔心因為造型需求而導致車身受力結構不達標,最終被車身工程師退回。
不僅如此,由於非承載式大梁上的車身不參與受力,所以無論是以前採用非承載式的跑車,還是沿襲至今的那些非承載式越野車,它們都可以隨便搞敞篷、卸車門、加後鬥變皮卡等騷操作,而不會對車輛的抗扭剛性造成什麼影響。可對於承載式車身來説,要想在保證車身剛性的前提下去搞敞篷這類設計,那就需要對車身其它位置進行大規模、大重量的結構性補強了。
在看完上述非承載式車身離地間隙高、底盤保護性好、容易維修、對車殼強度要求低等優點後,估計不少原本中立的朋友已經動搖到了“無大梁不越野”的陣營。既然大梁這麼好,那為何如今越來越多的越野車都轉向了承載式陣營呢?往下看!
通過上圖可以看出,非承載式車身的梯形框架本質上就是一箇中間通過橫樑補強的矩形。那當面對交叉軸時,這個矩形的對角線自然會產生一定的扭轉、變形。相對於可以通過計算機優化整車受力,以及應用先進材料的新時代承載式車身來説,非承載這種簡單平板式結構的抗扭剛性自然會處於劣勢地位。
脊管式大梁
看到這裏可能有朋友會問,像是越野卡車、重載卡車這種大載重走爛路的車型,不都專門通過非承載式車身來提升車輛的抗扭剛性嗎?沒錯,但它們所使用的非承載式車身並非是越野車上的矩形結構,而是在材料力學中擁有最強抗扭剛性的圓筒形結構,名為“脊管式大梁”。但由於這種“圓筒形”的粗度極大(上圖顯得不粗是因為那是大型卡車底盤),所以它完全不適用於對空間有很大要求的民用車。
扭轉剛性測試
當然了,科學的論證一定是少不了數據支持的。在車身設計階段,工程師都會通過測試台架對白車身進行縱向扭轉來得出精準的抗扭剛性數據,而數字越大就説明整台車的抗扭剛性越好。這也就意味着,當車輛在通過交叉軸這種一個或兩個車輪離地的情況下,“底盤”形變的範圍就越小。舉個例子,坦克300的大梁抗扭剛性為4935Nm/°,上一代豐田陸巡的大梁抗扭剛性為5080Nm/°,如果算上車殼的話,整體的抗扭剛性應該在10000Nm/°左右。而採用承載式車身的全新衞士的扭轉剛性為29000Nm/°,已經達到了非承載式越野車的3倍了。由此可見,在抗扭剛性方面,擁有大梁的非承載式車身已經完敗於被許多越野“老炮”唾棄的承載式車身了。
由於大梁承擔了非承載式車身的主要受力任務,所以廠商自然不會像打造承載式車身那樣,在非承載式的車殼結構、材料上花費過多成本。那在面對越來越嚴苛的碰撞法規時,使用非承載式車身的硬派越野車就很難以優秀的成績通過了。
為了避免非承載式車型的乘員艙在碰撞中被過度壓縮,車企只好通過在車頭設計更有針對性的結構來將力分散到別的地方,像是全新Jeep牧馬人就通過在葉子板和大梁處設計了一個能在碰撞時將衝撞力向斜後方分散的凸起結構,來應對IIHS的25%小面積偏置碰撞,最終成功在碰撞中通過向側方推開車輛的方式,避免了上方車身承受巨大沖擊力。但即使這樣,牧馬人的最終成績也僅為M(僅及格)......
豐田4 Runner碰撞測試
此外,在美國一向以安全著稱的豐田,旗下的非承載式越野車4 Runner也只取得了M(僅及格)的成績。那麼可想而知的,那些早期使用非承載式車身的老式硬派越野車的碰撞表現會有多糟糕......好在隨着美國IIHS 25%小面積偏置碰撞的誕生,後續的非承載式車型也都針對車頭結構以及A柱強度進行了補強,所以像是新款雪佛蘭索羅德、福特F150和豐田坦途也都在25%碰撞中取得了G(優秀)的成績。
不僅如此,由於承載式車身結構的強度要優於使用大梁的非承載式結構,因此像是國內10米以上的大巴,也已經被強制要求改用在碰撞時能最大程度保證客艙結構完整,提高乘員生存幾率的承載式車身結構了。與此同時,由於少了下方梯形框架的緣故,所以車底的行李艙也可以做得更高、更大,同時司機的座位高度也能降得更低,而更低的坐姿由於能帶來更快的速度感,所以也能在一定程度上降低司機超速駕駛的概率。
如果你的日常座駕是一台使用承載式底盤的車型,那相信當你第一次駕駛非承載式底盤的硬派越野車時,一定會感到一種前所未有的底盤“隔閡感”,根本無法通過底盤感知到曾經路面會傳遞給你的信息,而這也正是非承載式車身的另一大缺點。
相較於承載式車身會將路面震動通過懸架直接傳遞到駕駛艙來説,非承載式的震動首先會通過懸架傳遞到大梁上,然後大梁才能將震動傳遞到駕駛員乘坐的駕駛艙上。可由於車身與大梁之間是通過螺栓加橡膠圈這種非剛性連接的關係,所以橡膠圈會將部分震動直接過濾掉,進而造成了駕駛員與路面之間的“隔閡感”。但如果不使用橡膠圈的話,車身與大梁之間的金屬又會因為摩擦產生異響,所以非承載車型也就只能通過橡膠圈固定了。
對於硬派越野車來説,雖説沒人會對它的鋪裝道路駕駛感受抱有太大期望,但由於駕駛員很難感知到車輛實時的行駛狀態,所以日常開起來會感到分外勞累。更何況,現如今買硬派越野車的人,又有多長時間在“下道”撒歡呢?
非承載式車身的最後一個缺點就是重。相比集成度更高的承載式車身來説,大梁加車身這種分體式結構自然會使用更多的鋼材,進而導致車重增加。眾所周知,車越重,油耗就越不佔優勢,那在面對日益嚴苛的雙積分法規時,廠家就得花更多的錢來“平事”了。而這些額外成本最終還得加在車價上,導致產品的競爭力下降。
舉個例子,使用非承載式車身的路虎發現4車重在2.4-2.5噸左右,而使用承載式車身的發現5則為2.2噸多,這200kg的重量差距讓它們的工信部油耗也產生了差別,其中發現4 V6版本的NEDC油耗為11.6L/100km,而發現5 V6版本則為11.4L/100km。雖然油耗只差了0.2L/100km,但是對於車企而言,一台車能省下0.2L油已經會對雙積分產生很大影響了。
很多人不知道的是,在上世紀60年代左右,無論是轎車、跑車還是越野車,所有車幾乎都採用的是非承載式車身結構。而使用這個結構的原因也很簡單,就是製造簡單。但由於70年代的石油危機爆發,不少車企都轉投了重量更輕,空間利用率更高的承載式車身。隨着承載式陣營的壯大,這種車身形式的製造成本也開始逐漸變得親民,並且結構的先進程度也呈現出了指數級的提升。與此同時,技術老舊的非承載式車身由於跟不上承載式革新的步伐,開始出現了羣雄倒戈的局面。不過從現在這個時間點來看,承載非承載也沒必要爭了,畢竟等過幾年全面電動化後,非承載式應該就徹底消亡了......