車架

現代汽車絕大多數都具有作為整車骨架的車架。汽車絕大多數部件及總成都是通過車架來固定的，如發動機、傳動系、懸架、轉向系統、駕駛室、貨箱和相關操作機構。車架起到支撐連接汽車各零部件的作用，並承受來自車內外的各種載荷。

車架的結構形式首先應滿足汽車總布置的要求。汽車在複雜的行駛過程中，固定在車架上的各總成和部件之間不應該發生干涉。汽車在崎嶇道路上行駛時，車架在載荷作用下可能產生扭轉變形以及在縱向平面內的彎曲變形；當一邊車輪遇到障礙時，還可能使整個車架扭曲成菱形。這些變形將會改變安裝在車架上的各部件之間的相對位置，從而影響其正常工作。因此，車架還應具有足夠的強度和適當的剛度。為了提高汽車整車的輕量化水平，要求車架質量儘可能小。此外，車架應布置得離地面近一些，以使汽車重心降低，以利於提高汽車的行駛穩定性。這一點對於客車和轎車來說尤為重要。

早期汽車所使用的車架，大多都是由籠狀的鋼骨樑柱所構成的，也就是在兩支平行的主樑上，以類似階梯的方式加上許多左右相連的副梁製造而成。車體建構在車架之上，至於車門、沙板、引擎蓋、行李廂蓋等鈑件，則是另外再包覆於車體之外，因此車體與車架其實是屬於兩個獨立的構造。這種設計的最大好處，在於輕量化與剛性得以同時兼顧，因此受到了不少跑車製造商的青睞，早期的法拉利與蘭博基尼都是採用的這種設計。

由於鋼骨設計的車架必須通過許多接點來連結主梁和副梁，加之籠狀構造也無法騰出較大的空間，因此除了製造上比較複雜、不利於大量生產之外，也不適合用在強調空間感的四門房車上。因此單體結構的車架在車壇上漸漸成為主流，籠狀的鋼骨車架也逐漸改由這種將車體與車架合二為一的單體車架所取代（如：貨櫃車），單體車架一般以“底盤”稱之，也就是衍生自英文的“Platform”。

一、梯形車架

梯形車架還有一個更為人熟知的名稱—陣式車架，是最早出現的車架形式。顧名思義，梯形車架的樣子就好像一條平躺著的梯子由兩條縱向的主粱（longitudinalsidemember），結合許多大小（粗細）不同的副橫樑（crossmember）所構成的，有些情況還會加上斜梁(crossbraces）作鞏固。直到上世紀60年代，它仍然被大部分汽車所採用。隨著不同形式的車架設計的誕生，梯形車架應用到一般小轎車上的情況越來越少見，（簡直是罕見！）除了專門的越野車，如Jimmy、Landcrusier或者Trooper等，現在只有商用車才使用梯形車架。

越野車使用梯形車架主要是看中它車身和底盤分離的設計，車架和車殼作非固定連接，在越野行走的時候，崎嶇的大幅路面上下落差環境，會導致車架的大幅扭動，如果是一體式車架的話，很有可能隨時扭到連車廠都不認得這是自己造的車！梯形車架的非水平扭曲剛性其實並不理想，一樣會產生大幅的扭動，分離式車身正好阻止了車殼的扭動。另外這種車架的前向抗曲能力（即對抗前方正面撞擊力的能力）非常的強！所以這款車架仍被越野車普遍的使用。

至於商用車由於梯形車架的負載抗曲能力高，而車架先天造就平台造型，無論對營造車廂空間還是載貨空間都有極其正面的作用。

梯形車架的優點也造就了它的缺點，平面結構令它的非水平扭曲剛性相對於一體式車架來的低，而車架的設計不善於造就重心水平低的汽車（技術上完全可行，但是沒有必要）對於以操控性作為出發點的汽車這種特性當然與他們的宗旨背道而馳。

二、一體式金屬車架

顧名思義，使用一體式車架的汽車，整個車身的外殼本身就屬於車架的一部分。所以它不同於傳統的梯形車架或者管式車架，需要在車架外包裹外殼。

事實上，按嚴格的定義來說，一體式車架都是由不同的組件裝嵌而成的，其中最大的一塊就是地台，其餘的如車頂、側板大小各異，所有的板件都是由高壓壓模機壓制出來的，利用機械臂做電焊處理，有的甚至使用激光焊接技術。整個製作過程短至數分鐘便可宣告完成。

由此可見，一體式車架之所以那麼流行，主要原因是為了適應高度機械化的流水生產作業大量生產，這樣做可以大大的降低生產成本。而且一體式車架先天擁有良好的撞擊保護能力，車頭以及車尾加裝副車架一方面有利於吸收撞擊所造成的衝擊力，另一方面對車架行駛的剛性也有所幫助。其次，一體式車架能夠預留用以吸收撞擊能量的褶皺區外，車架本身的包裹式構造還可以將褶皺區域吸收不完的能力經過車柱分散到車體的其餘部分，避免猛烈撞擊力在瞬間過於集中而對乘客造成嚴重的創傷！相對於其他的車架構造，一體式車架沒有高而闊的門欖、防滑動支撐架和大型的傳動軸管道等，空間的利用率極高。

凡事總有正反兩面，一體式車架生產前的配套投資極其龐大，絕對不適合小批量生產。比如市場層面較窄的跑車市場，現在只有PORSCHE使用一體式車架。

另外一個明顯的缺陷就是一體式車架因為使用大量的金屬，重量偏高。外殼的作用主要是用來營造理想的空間效果，而車架的設計主要由金屬鋼片構成，雖然鋼片已經作了開坑的加強韌度處理，但是在物理結構上的剛度，特別是非水平扭動(longitudinaltorsion），始終不及鋼管式車架。如果以重量和剛性比來作比較的話，使用同等金屬重量所製作出來的一體式車架是所有車架中剛性表現最不濟的。

順便可以提一下的就是車架的後天改裝問題。坊間流行為汽車加Bar也不是一天兩天了，但是無論是頂塔或者底塔，增加的只是車體上部分空間結構的剛性，但是車體其他部分的抗扭度依然沒有絲毫的提高，也就是說，原來過彎時，整個車架的扭動被車架中間部分的扭動代替了。所以TowerBar及其量只能提高駕駛的感受，至於真正的車架剛性的表現則很難說。但是有一種情況是例外的，那就是原廠在設計時已經考量了車架的longitudinaltorsion，加裝towerbar已經是設計的一部分。

三、超輕量一體式車架

既然ULSABMonocoque可以單獨被羅列出來，自然有其獨到之處。不過首先還是要交代一下它的出生。

傳統的一體式車架其優點是對於大量生產成本相對較低，擁有較強的空間效能同時撞擊保護能力較強。缺點是車身沉重，初期投入很高，無法做少量生產。在上世紀八、九十年代開始，國際汽車的安全規格開始迅猛的發展，各大車廠除了發展不同形式的主/被動安全設備以外，也開始著手於設計撞擊剛性更高的車架。雖然當時超級計算機已經可以輔助設計出理想的車身結構，但是也無可避免的使更多的鋼材被應用到車身上，使得車架重量進一步增加。

製造商為了兼顧汽車的性能和環保表現，則著手研究別類的車架金屬的應用，希望藉此克服傳統一體式車架重量偏高的缺點。最為人所知的HONDANSX和AUDIA8就是在那樣的大環境下開始使用全鋁合金一體式車架的。而更多的車廠在使用部分的鋁合金零件（如汽缸體、副車架、車身結構板塊、和懸掛搖臂等）來取代傳統的鋼製零件。這對於許多鋼鐵製造商來說無疑是沉重的打擊，如果汽車工業越來越趨向於使用鋁金屬的話，他們的生意以及贏利必然會受到重大的影響。為了避免更多的車廠選用鋁而放棄鋼鐵，一間美國鋼鐵製造商，委託了PORSCHEENGINEERINGSERⅥCES研發了新型的鋼製輕量車架技術，成為了今天的超輕量一體式車架（UltraLightSteelAutoBody）。這也是為什麼PORSCHE會選用一體式車架的原因之一。

在結構上，它與傳統的一體式車架無異。輕量化的主要原因是車的板塊由Hydroform形式壓制，簡單的講就是以高水壓壓制。傳統車架用高重量壓模機壓制的車架模塊，效果就好像用紙蓋著硬幣，然後用鉛筆素出圖案的效果。車架和車殼的板塊因為壓模機的壓制細膩度有所規限，整體厚度和設計的厚度有一定的出入，尤其在彎角和邊緣的位置，在壓制后肯定是最薄弱的地方。為了彌補這個缺陷，整個車架在壓制時會刻意做的厚一點，就是說用厚一點的鋼板去遷就這些最薄弱的位置都符合最低的厚度要求，從而達到剛度要求。

Hydroform利用極高的水壓，將鋼材壓迫成所需的車架形狀。因為水的壓力是平均的，不同的地方所受的壓力同樣是相同。這樣就解決了車架衝壓受力不均的問題，車架便可以造得更薄了。

ULSAB在98年公布了一份申明，PorscheEngineeringServices聲稱它比傳統的一體式車架輕36%，而剛性則提高了50%。BMW3系和OPELASTRA的部分車架都使用這個技術。

四、一體式碳纖維車架

想解釋清楚這種車架，就必須首先解釋一下碳纖維的構造和特性。

關於碳纖維這個詞，大多是從賽車報道中首先遇到的。F1賽車身上90%為合成物料，而這些合成物料中90%就是碳纖維！不過非常有趣的是，雖然F1賽車上的這些碳纖維部件超級的昂貴，不過其實它和我們身上所穿的化纖襯衫（Rayonshirt）有著相同的淵源。

有兩種物質可以製造碳纖維，其中一種就是人造絲(Rayon）。Rayon是一種絲質的人造纖維，由纖維素（cellulose）所構成，而cellulose是構成植物主要組成部分的有機化合物。另外一種能製造碳纖維的物質是丙烯酸纖維(Acrylicfiber），學名應該是Polyacronitrile(PAN）。

製作碳纖維的方式會因生產商的不同而稍有不同。以McLarenF1賽車為例，車上的碳纖維板件的製作過程大致是先將人造絲或者丙烯纖維放在熱框架上加熱到攝氏250度，然後再以攝氏2600度在鐵爐內加熱，使之炭化為碳（Carbon）以及石墨（graphite）。炭化后的纖維會以每三千條微絲捲成一條0.1mm粗的細絲，並以之編織成網狀圖案，成為碳纖維布（碳纖維板的高強度就得意於這種單纖維整齊排列、緊密成束的內部構造）但是如果碳纖維布不再進行進一步加工，在室溫環境下只有約三天的壽命，故此這種碳纖維布一般存放在零下18度的冷櫃里，這樣壽命可以延長到18個月。

碳纖維布之所以不馬上加工成為碳纖維板，是因為車身的不同部件對碳纖維板的性質要求略有不同，有些碳纖維板用於車身結構上直接受力，而有些則用在阻流器上，有些則要經過特別的耐高溫處理。（其實碳纖維板已經比普通的鋼材耐高溫，而且在一定的溫度範圍了，隨著溫度的上升，它的強度會逐漸的增大。一般鋼在攝氏635度就會軟化，當溫度進一步上升到攝氏1400度，鋼材就會開始融化，而碳纖維材料卻在攝氏20~2000度之間都保持持續的強度上升。）一般加工碳纖維板，都要將板件在模具中成型時加入合成樹脂（resin）。而不同的板件性質就是由與加入不同的合成樹脂所造成的。

加工碳纖維板的工作方法雖然有多種，但是基本工序都一樣，都是將碳纖維布放置在加工模型的鋁製模具中，將適合的合成樹脂塗滿碳纖維布，然後放到熔爐中以不同的溫度、時間和壓力溶制，令碳纖維融合，成為堅韌的碳纖維板件。

世界上有大小不同的碳纖維製造商，而專為汽車製造的碳纖維普遍只有幾種，當中以高韌度和重量比例見長的一種叫作Kelvar。Kelvar由著名的杜邦化工開發的，用途主要是汽車、賽車乃至飛行員的頭盔。

總的來說，碳纖維和傳統鋼材比較，其性能具有壓倒性的優勢，密度要比鋼材低4倍左右，而強度和硬度都是鋼材的兩倍。但是其實碳纖維也非完美的材料，雖然它很堅韌，但是卻有受力向度的問題，也即是說，整體中的某些部位不太能受力。

碳纖維應用於汽車是80年代初的事，當時的FIA允許GroupB賽車使用任何汽車技術於賽車之上，唯一的限制是有關的賽車必須生產200輛民用版本公開發售，以次作為推動汽車發展的動力，同時也限制了過於離奇的技術所造成的不公平競爭。於是在那時，陸續出現了許多使用碳纖維部件的跑車，例如Ferrari288GTOPORSCHE959，不過當時碳纖維的使用僅僅用於車身的板件，而目的也僅僅限於減輕賽車的重量，碳纖維板本身根本沒有提供任何的車身剛性。更別說一體式碳纖維車架了，當時的959使用的是一體金屬車架，而288GTO、F40、DIABLO使用的都是鋼管式車架。

最早出現的一體式碳纖維車架不難猜出是出自於F1賽場，1981年McLarenMP4/1的設計師JohnBarnard設計了全世界第一個一體式碳纖維車架，而在超級跑車的行列中只有4輛使用的是一體式碳纖維車架。它們分別是McLarenF1FerrariF50FerrariEnzoBugattiEB110SS(EB110GT不是使用一體式碳纖維車架的）。而其他聲稱使用碳纖維的跑車最多不過在車架補強方面使用碳纖維，更多的是使用在裝飾部分上。

就像人的身體由骨架來支持一樣，汽車也必須有一幅骨架，這就是車架。車架的作用是承受載荷，包括汽車自身零部件的重量和行駛時所受的衝擊、扭曲、慣性力等。現有的車架種類有大梁式、承載式、鋼管式及特殊材料一體成型式等。

五、大梁式車架

在港台汽車刊物中常稱作“陣式車架”，是最早出現的車架類型（從全世界第一部汽車開始一直沿用至今）。大梁車架的原理很簡單：將粗壯的鋼樑焊接或鉚合起來成為一個鋼架，然後在這個鋼架上安裝引擎、懸架、車身等部件，這個鋼架就是名附其實的“車架”。大梁式車架的優點是鋼樑提供很強的承載能力和抗扭剛度，而且結構簡單，開發容易，生產工藝的要求也較低。致命的缺點是鋼製大梁質量沉重，車架重量佔去全車總重的相當部分；此外，粗壯的大梁縱貫全車，影響整車的布局和空間利用率，大梁的厚度使安裝在其上的坐廂和貨廂的地台升高，使整車重心偏高。綜合這些因素可見，大梁式車架適用於要求有大載重量的貨車、中大型客車，以及對車架剛度要求很高的車輛，如越野車。傳統越野車在良好道路上行駛時表現出重心過高的不良操控性，就是由大梁式車架所致。

六、承載式車架

也稱作整體式或單體式車架。針對大梁式車架質量重、體積大、重心高的問題，承載式車架的意念是用金屬製成堅固的車身，再將發動機、懸架等機械零件直接安裝在車身上。這個車身承受所有的載荷，充當車架，所以準確稱呼應為“無車架結構的承載式車身”（採用大梁車架的汽車車身則稱為“非承載式車身”）。承載式車架由鋼（較先進的是鋁）經衝壓、焊接而成，對設計和生產工藝的要求都很高，這也是中國車身設計開發難以突破的大難點。成型的車架是個帶有坐艙、發動機艙和底板的骨架，我們所能看到的光滑的汽車車身則是嵌在骨架上的覆蓋件。

承載式車車架是轎車的主流，因為這種結構將車架和車身二合為一，重量輕，可利用空間大，重心低，而且衝壓成型的製造方式十分適合現代化的大批量生產。但是除了開發製造難度高外，剛度（尤其是抗扭剛度）不足也是承載式車身的一大缺陷。這問題在日常用車上還不明顯，但對於大馬力、大扭力的高性能跑車，要求有很高的車架剛度，普通承載式車身就顯得剛度不足。因此高性能汽車，除了馬力不斷提升外，各車廠也不斷致力於提高車身的剛度，主要採取的辦法是優化車架的幾何形狀和採用局部增粗或補焊以加強抗扭能力。

由於承載式車架將全車所有部件，包括懸架、車身和乘員連成一體，具有很好的操控反應（正式學名是“操作響應性”），而且傳遞的震動、噪音都較少，這是大梁式車架不可比擬的。因此不僅是轎車，就連一些針對良好道路環境設計的越野車也有棄大梁車架而改用承載式車身的趨勢，這就是所謂的“城市化越野車”。另外針對大梁式車架地台高的弊病，出現了採用承載式車身的大型客車（稱為“無大梁車身”或“無陣車身”），由於取消了大梁，旅遊大巴可以在車底騰出巨大且左右貫通的行李空間，用於市區的公共汽車則可以將地台降至與人行道等高以便於上下車（要配合特殊的低置車橋）。低地台是客車的一個重要發展方向。

七、鋼管式車架

前面曾說過承載式車架的設計開發和生產工藝都複雜，只適宜大批量生產。但是對於少量生產的轎車又如何呢？雖然可以採用共用平台策略，但所謂的“共用平台”能共用的只是懸架、傳動系統等底盤部件，承載式的車架由於必須與車身形狀吻合，對於不同的車身造型是不能共用車架的。於是鋼管式（又稱“框條式”）車架便應運而生。

顧名思義，鋼管式車架就是用很多鋼管焊接成一個框架，再將零部件裝在這個框架上。它的生產工藝簡單，很適合小規模的工作坊作業，50-70年代英國有很多小規模的車廠生產各式各樣的汽車，都是用自行開發製造的鋼管車架，是鋼管車架的全盛時期。時至今日仍採用鋼管車架的都是一些產量較少的跑車廠，如LAMBORGHINI和TVR，原因是可以省去衝壓設備的巨大投資。由於對鋼管車車架進行局部加強十分容易（只須加焊鋼管），在質量相等的情況下，往往可以得到比承載式車架更強的剛度，這也是很多跑車廠仍樂於用它的原因。

八、鋁合金車架

奧迪A8的車架是用鋁合金做的，但那是衝壓成型的結構，只是材料不同了，仍屬於承載式車架。這裡說的鋁合金車架是另一種類型，將鋁合金條梁焊接、鉚接或貼合在一起組成一個框架，可以理解為鋼管車架的變種，只是鋁合金是方梁狀而非管狀。鋁合金車架最大優點是輕（相同剛度的情況下）。但是成本高，不宜大量生產，而且鋁合金本身的特性決定了其承載能力受限制，暫時只有少數車廠運用在小型的量產跑車上，如蓮花ELISE和雷諾SPIDER。

九、碳纖維車架

亦即是開頭所提到的“特殊材料一體成型式車架”。製造方法是用碳纖維澆鑄成一體化的底板、坐艙和引擎艙結構，再裝上機械零件和車身覆蓋件。碳纖維車架的剛度極高，重量比其它任何車架都要輕，重心也可以造得很低。但是製造成本是它的致命傷，因此都只用於不計成本的賽車和極少數量產車上。碳纖維車架在80年代首先出現一級方程式賽車上，然後延伸到C組賽車和90年代的GT賽車，至今僅有的兩部採用碳纖維車架的量產車是94年的MCLARENF1和95年的FERRARIF50。

碳纖維的剛度不僅有利於操控，對提高安全性也有很大的作用。典型例子是在95年，寶馬的總裁駕駛一部MCLARENF1（街道版）滿載3人在德國的公路上以280公里時速失控，衝出公路后再翻滾無數圈后才停車，車上3人居然只受了輕傷。當時全車外殼盡毀，但車架和坐艙仍保持完好的形狀，如非碳纖維車架肯定是招架不住的。這也是一級方程式賽車至今沿用它的原因之一。

十、“副車架”

最後要補充“副車架”的概念，這是常常在車書中出現的新名詞。副車架並非完整的車架，只是支承前後車橋、懸架的支架，使車橋、懸架通過它再與“正車架”相連，習慣上稱為“副架”。副架的作用是阻隔振動和雜訊，減少其直接進入車廂，所以大多出現在豪華的轎車和越野車上，有些汽車還為引擎裝上副架。

從字面上就可以十分容易的理解這個壓力，部分汽車的非懸掛重量。因此車架底部的縱梁和橫，一般都要求較強的剛度。

當前後對角車輪遇到道路上的不平而滾動，車架的樑柱便要承受這個縱向扭曲壓力，情況就好像要你將一塊塑料片扭曲成螺旋形一樣。

因為車輛在行駛時，每個車輪因為路面和行駛情況的不同，每個車輪會承受不同的阻力和牽引力，這可以使車架在水平方向上產生推拉以至變形，這種情況就好像將一個長方形拉扯成一個菱形一樣。

斷裂或變形的原因

1.汽車行駛在不平路面上，引起的車架垂直衝擊載荷，超過車架的許用應力。另外，在汽車上下坡、轉彎或裝載不均時，也會引起車架局部過載而導致車架斷裂。

2.車架設計或附屬裝置造成局部轉矩而使車架斷裂。如有的車架縱梁前部橫截面較小，同時因發動機和變速器的影響，故橫樑分佈較少，從而便車架的剛度變差，若在動載作用下，可能導致縱梁前部斷裂，即常見在縱梁下翼斷裂。另外，車架還受垂宜於縱梁的懸臂載荷（如油箱、懸架和備胎等）所產生的局部扭曲，也是造成車架斷裂的原因。

3.汽車行駛時，前輪一側受到很大阻力，使車架易發生對角線的平面變形。

4.汽車發生撞擊事故，嚴重的撞擊會造成車架變形

車架變形是指車架改變了原來的幾何形狀，並使在車架上安 裝的各總成零件相對位置發生變化，引程車輛的技術狀況變壞，導致汽車不能正常行駛。車架變形常因作用於車架的力超過其彈性極限，當作用於車架的力消除后，車架不能恢復原狀，形成了殘餘變形。