車體剛性強化六問-不是硬就好,還要有彈性(上)

街車改裝中相較於動力、煞車與底盤系統的改造,車體剛性的強化似乎沒有那麼重要,不過如果您是激烈操駕一族,或準備開著愛車下場比賽的話,車體強化絕對會讓您感受到改裝前後的差異,讓您對愛車的掌控更完整。至於到底改怎麼強化?就讓筆者一一為大家說明。
 
問題一:為何車體剛性要補強?
讓車開快時更聽話


為何需要強化車體之結構?因為車身結構本體為一單獨結構體,而車輛本身之懸吊組件則是搭載在此主結構體上;當懸吊系統作用時,所承受之應力相對也會造成車體的負荷,而真正受力反饋的機件應該是懸吊系統,支撐懸吊系統的車體要愈強壯愈好,而扭曲變型量愈小,則懸吊系統作用愈大,也等於說高剛性車體結構,可以令懸吊系統完美充分的工作,讓駕駛對車身動態的掌握更完整,也就是車開起來會比較聽話。
 
 

對於車身剛性的說明,原廠多半是透過圖中的車體結構圖來說明,但依然很少能給準確的數據,此圖為Audi R8的設計圖,可以看出駕駛艙為籠型車體結構,車頭前後則以骨架建置,是兼顧車重與剛性的好方法。
 
此時讀者或許疑問,為何懸吊要完美工作與車體有關?因為車輛要有完美的操控性,及高速行駛的穩定性,全賴於底盤懸吊的設定,但就算有了再完美的懸吊裝置,及底盤角度調校,如果是安裝在一個極易扭曲變形的車體上,高速激烈過彎時,也會因車體變形太多而無法發揮功效,最終結果也是徒勞無功,所以一台車要激烈駕駛時要好開,車體剛性補強是絕對要做的事情。
 

對於正規的WRC比賽廠車來說,透過防滾籠等車體剛性強化的工程,目的除了提高車體抗衝擊與抗扭曲的能力外,確保車手在車輛撞擊瞬間的車體完整度,也是強化車身剛性很重要的目的之一。
 

有些超跑例如圖中Mclaren MP4-12C的車體結構,駕駛艙採用一體成形碳纖維材質製成,前後在輔以鋁合金骨架,如此打造出來的車體剛性與安全性,將比鋁合金車台好上許多,更不用說一般的鋼材,應付街道使用絕對綽綽有餘。

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問題二:什麼位置最需補強?
引擎室、行李廂與車門開口


一些對於消費者窩心設計的意念,其實都有可能造成車體結構減弱,例如:低開口的後行李廂蓋,其為了造成行李廂更大的開口,就必需消除主體鈑件的面積,當然不利於結構剛性。而所謂六/四、五/五分離後座椅,這類提供行李廂到車廂後座相通管道的設計,取消了原來分隔行李廂與車廂的隔離金屬鈑件,如此一來對於後車廂整體結構強度,也是比較不利的。
 

許多性能車出廠時就會針對車體開口處,進行加裝拉桿的補強動作,例如圖中的EVO 8與NSX。
 
此外,大多數的房車都是採用一體成型式車體的結構,而非像貨車般的分離式大樑設計,因此車體剛性就無法與這些貨車相比,其最大弱點就在於車門ABC柱間、引擎室及行李廂等開口地方,因此只要針對上述這些地方進行補強,車身剛性就可以有一定程度的提昇。除此之外,車體底盤的前工字樑開口、後懸吊左右拉動等部分,如果加以補強對於剛性的提昇也很有幫助,補強方式可以透過車體拉桿、車身點焊或加裝防滾籠的方式來達成,後文會有更詳細的介紹。
 

後行李廂的開口也是車體剛性比較需要補強的地方,透過加裝於後避震器塔頂上的拉桿,就可明顯強化這部車的剛性,也能確保避震器作動時的穩定性。
 

對於街車來說,由於需考量車內乘客與行人的安全,因此車體的剛性還是需保有一定的潰縮性,無法比照賽車般打造的硬梆梆,即使是超跑也不例外。
 

車體剛性強化六問-不是硬就好,還要有彈性(中)

▲引擎室是一個上下都開口的空間,也是車體剛性最脆弱的地方,可以透過加裝車體拉桿,來提升車體抗扭曲的能力。

問題三:車身拉桿要怎麼選用?
材質、設計與安裝位置


加裝車身拉桿是時下最容易,且價位普通的車體剛性強化方式,為什麼要加裝這個零件呢?此零件是車身強化中最基本的一項,也是補強車體負擔最多之處的重要零件,採交叉方式裝置在懸掛固定點的它,乃是直接接受來自地面的震動力量,若是從拉桿往車體方向的力量沒有消失,不但懸掛系統的位移量會減少,車體搖晃的情形亦將因此降低,進而提昇行駛的操控性能。雖然因為有減震筒、彈簧吸震的關係,使得加裝拉桿後並不會感到明顯的加強,可是有裝跟沒裝的實際差別很大,尤其跑山路是更加明顯感受出差異。
 
至於最需加裝拉桿的位置就在引擎室避震器塔頂上,這是因為車體的引擎室除了承載引擎外,其左右葉子板內側還負責懸吊系統之前軸、上三角架、避震器等零件之固定。然而引擎室之結構則好比上、下都打開的四方盒,在理論上是「最弱」之結構剛性區域,因此一般車輛會以特別的設計,來彌補此先天之缺憾。而加裝引擎室上拉桿,就是要在引擎室上左右兩邊直接受力的避震器上座,用一結構桿連接起來,試圖對引擎室上方之開口作一個結構性之補強,而這樣的設計某些性能車出廠時就有,用來加強鈑件強度,也可以抑制噪音產生。
 

引擎室是一個上下都開口的空間,也是車體剛性最脆弱的地方,可以透過加裝車體拉桿,來提升車體抗扭曲的能力。
 

引擎室拉桿要發揮作用,避震器塔頂的固定座設計很重要,一定得和避震器上座之鈑件吻合,兩者裝配後緊密的接合,才能有效的抑制上座的變形或鈑件破裂。
 
而提到引擎室拉桿,它為了達到應有的效果,有些重點還是需要注意,例如鋁製桿身其強度略遜於鐵製品,如果要達到一樣的效果則必需要使用鍛造鋁合金製品;而桿身屬於圓或方型的空心體,較實心材強度高且重量輕。拉桿固定座基本上一定得和避震器上座之鈑件吻合,兩者裝配後緊密的接合,才能有效的抑制上座的變形或鈑件破裂。
 
如果有固定式、無調整螺絲的話是最好的選擇,如果是桿身可調式的拉桿,則需注意桿身調整螺絲的尺寸,愈接近桿身直徑,也就是愈大的直徑強度愈佳,這些都是選擇引擎室拉桿所需注意的重點。其他諸如葉子板側拉、底盤下結構桿、後上下拉桿及B柱拉桿等同質性改裝品,原理皆大同小異,不同的只是補強的部位不同,實際發揮功效大小也不盡相同。
 

許多拉桿品牌也都會針對車底下較弱的地方,推出改裝拉桿供車主進行車體補強,選購時記得選擇安裝後高度不能太低的產品,容易磨到人孔蓋。
 
值得一提,許多房車位於引擎室的兩支主樑,並非是從車頭延伸到車尾,而是僅僅伸展到座椅下方,如果這兩隻前方的主樑與後方延伸過來的側邊骨架連接狀況不好的話,車身中央與駕駛艙底板的剛性便會降低,高速過彎時車體就會扭曲,大大影響轉向反應。針對此問題有些比賽車都會在車底處加裝車底拉桿,甚至是包覆一大片鋁合金底板,透過補強車體中央與側邊的連接結構性,來提高車體整體強度,所以若能依照車種找出車體的弱點,便能進行最佳的補救措施。
 

除了車底板上方的結構補強外,許多正規比賽車也都不忘記車底下的剛性強化,尤其是前後副樑處的強度更需特別注意,因為這裡是負責固定前後懸吊連桿與三角架的地方,同時也須承擔懸吊拉扯的受力點。
 
最後,過去許多車迷對「車身拉桿」與「底盤連桿」的用途不甚清楚,筆者在此說明,拉桿是安裝在車體上的金屬桿件,用途在補強車體剛性與強度;至於連桿則是安裝在底盤懸吊上,用來限制避震器上下擺動的幅度範圍,改裝用的連桿多半會採用鋼材製成,兩端為魚眼接頭設計,其上還設有長度可調整功能,這些特徵都是辨別兩者差異的方法。而安裝在懸吊上的還有所謂的「防傾桿」,此部件的用途在抑制車輛過彎時的側傾角度,這三者的功能大不相同,不可搞混。
 

底盤連桿是安裝在底盤懸吊上,用來限制避震器上下擺動的幅度範圍,改裝用的連桿多半會採用鋼材製成,兩端為魚眼接頭設計,其上還設有長度可調整功能,不論是功能或設計都與車身拉桿有不小的差別。

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問題四:什麼是車身點焊?
打好車體強度的底子


車體結構通常是由2片以上的鈑金焊接而成,例如車門框架周圍,就強度來說焊接的焊點愈多,車體的剛性就愈強,然而市售車顧及到成本與舒適性的問題,在車台鈑件間接合的焊點也會點的較少,如果能適度補強焊點,也能提升車體結構的抗扭曲強度。
 
不過可不是一昧地增加焊點就能達成此目的,錯誤的施工反而容易造成反效果。一般點焊時因焊點周圍的鐵板在燒鑄之後,會產生硬化的現象,因此若是焊點的間隔過小過於密集,就會缺乏應力緩衝區,該處便有可能出現裂縫,甚至金屬斷裂的情況,且焊接時不能從頭一直焊到底結束,到時候單面鈑件會因為連續焊接而熱變形,到最尾端會呈現餘料現象,促使車體變型。
 

車身點焊的重要部位,有前後避震器塔頂、車門鈑金接合處,至於焊點的間隔則不建議太密集,因為焊點會硬化,太密車體會裂開,且點焊後須立即防鏽處理,施工時也須確保車體處於應力釋放的狀態,如此完工後車體才會變形。
 
同時也因為全車點焊並非一天就能完成的工作,所以當天焊接好的部分,一定要清潔完畢,噴上鍍鋅或鍍銅底料,否則明天就會發現,因為焊接後的氧化現象及日夜溫差的濕度變化,會讓昨天所焊接的部分全部產生銹斑,屆時再來處理善後,才真是亡羊補牢,得不償失。
 
最後,全車點焊最好事先就把車輛架放在手術檯上,或專用治具上,把身體主結構焊好之後再來實施翻轉的細部焊接。以上所述這點是非常重要的,因為在一個不良的支撐環境下,受力的空車體是可能變型的,加上焊接時的伸縮、及應力的改變,如果車體並非固定在良好的治具下,例如車體呈現些微扭曲的不正常情況,此時在點焊上去,扭曲的車台就此固定無法調整回來,在車體基礎結構與幾何角度不正確的情況下,對於往後配重的調整、底盤的設定,都會有決定性的傷害,不可不慎。
 

車體強化的位置並不只局限於車體結構上,像這部EVO的前三角架雖然採用鋁合金材質,Tuner來特別在其上焊接一塊小鋁板,目的在減少三角架的變形量,讓和尚頭不會因激烈過彎時的擠壓而扭動,使得操控反應變得較不聽話。
 

由於超跑需要比一般房車還要更強的車體剛性,才能應付高速且激烈過彎時的車體扭曲量,因此車體焊點會比房車多很多,甚至焊接的方式會更加特殊,焊道也會更多,加上採用鋁合金車身打造,整台車的剛性就是不一樣。
 

從這張Audi R8的車體透視圖來看,可以發現除了駕駛艙的開口比較大之外,前方的行李廂乃至於車後的引擎室,都佈滿交錯的車架結構,除了要確保高速行車安全外,對於車體剛性的強化,跟房車絕對不是同一個級數可比。
 

車體剛性強化六問-不是硬就好,還要有彈性(下)

▲防滾籠是提升車體強度工法中,效果最明顯的方式,只是對街車來說,會遭遇到驗車與臨檢等困擾。

問題五:什麼是車內防滾籠?
同時強化剛性與安全


前述的點焊工程雖然有提昇剛性的作用,但僅針對「鈑件與鈑件之間」,以及「鈑件與大樑(ABC柱)等結構之間」,主要用意在於加強其緊密度,雖然剛性與強度都提昇許多,這只是提昇操控與車身反應,但是針對激烈操駕時隨時可能發生的嚴重撞擊時,駕駛安全保障提昇的程度有限,因此競技設定的車輛一般都會再裝上駕駛艙結構強化的部分,就是一般我們所說的「防滾籠」(Roll Cage),以保障車手於意外發生時的安全,故防滾籠的結構幾乎都分布在駕駛艙空間的周圍。
 

防滾籠是提升車體強度工法中,效果最明顯的方式,只是對街車來說,會遭遇到驗車與臨檢等困擾。
 

如果您參加的比賽是這種需要讓車飛這麼高的賽事,防滾籠絕對是必備的保安部品。
 
而如果您經常激烈操駕山路或賽道的話,防滾籠是筆者最鼓勵的改裝部品,原因只有一個,保命部品;正常的一部車,車頂結構是最脆弱的部位,車輛發生意外造成翻滾時,車頂保證體無完膚,那駕駛者的頭呢?包準像顆破雞蛋一樣。其實防滾籠最大的作用即是人身防護,讓車手在激烈的賽事中有本錢放手一搏,而車身剛性的提昇雖然稱之為其附加價值,但是一組標準防滾籠所帶來的助益卻遠超過全車拉桿。
 
一般來說,防滾龍的材質以鉻鉬合金為主流,質輕強度高是其最大特色,是目前製作防滾籠最主要的材質;早期此種材質僅在國外賽車上才看的見,一般無縫鋼管頗為盛行,但目前國內就連一般街車都採用鉻鉬合金製作之防滾籠,足見此材質的普及性。除了材質外,結構及點數同為一大重點,符合FIA賽事規範所規定的各項要求製作而成的部品才能真正有效發揮最大功能,一般來說,速度愈快、危險性愈高的房車賽事,例如Rally拉力賽事,所要求的規格愈嚴格,因為這些規範針對彎管角度、管徑、點數甚至接合方式都有明確的規則,而這套規則是經過數十年賽事考驗演進而來,絕非一般土法煉鋼隨便燒幾根鐵管就能了事,畢竟這玩意非得到意外發生才能驗證其真實效果,並非耍帥比炫的改裝部品,Tuner不得不慎,。
 

任何參加FIA旗下賽事的比賽車,其防滾籠皆須遵照該協會嚴格的規範來打造,一組做好精良的防滾籠看起來就工藝品一樣,令人賞心悅目且通過認證的車體,FIA都會貼上認證貼紙,以做為驗車之用。
 

正統超跑賽事的防滾籠,須在賽車椅背後方加裝一個橫桿,除用綁六點式安全帶外,更重要的目的在防止車輛被後方追撞時,支撐賽車椅背之用,防止椅背折斷傷害到車手安全。
 
至於防滾籠對剛性提昇之原理,其實與前述拉桿為異曲同工,但實際提昇強度卻是數倍之多,這也是為什麼筆者會說防滾籠是最值得鼓勵的改裝部品,上一組防滾籠絕對比您全車拉光光來的有實質意義,何況小命只有一條,防滾籠就是你盡情揮灑時的最後一道防線。以過去筆者試駕過加裝防滾籠的六代喜美廠車為例,透過防滾籠的加裝,不僅車體扭曲聲獲得有效抑制,最重要的是大幅強化的車身強度讓避震器及輪胎更加有效的發揮,路感回饋更加直接明確,而車重雖然多出40幾公斤,但相信有了防滾籠的保護,將能使車手為更加安心、專注於追求賽道速度上,單圈成績自然有所提昇。
 
而改裝防滾籠時最佳安裝方式乃為與車台焊接之一體成形式,但是一般道路用車不太可能這樣做,因需考量日後復原及驗車等等問題,所以固定的媒介-螺絲,就扮演相當重要的角色,且分解點愈少愈好。根據FIA規範,所有管對管接點,必需要以套管加多點螺絲來固定,且螺絲固定的角度也必需各自兩兩成九十度垂直,以確保其強度。
 

一組標準的防滾籠至少須為十點式設計,也就是不含A、B、C柱底部接點的話,防滾籠橫向與縱向間須有10個以上的接點,才算是基本的防滾籠配置。
 

有時為了安裝方便,防滾籠支架的接點會採用鎖螺絲的方式來固定,此時螺絲的粗細就很重要,且有時為了進一步強化剛性,還會在支架交會處焊上三角板來補強。
 
筆者建議如果真的有心加裝防滾籠的話,最好將價格因素摒除在外,市面上許多不到1萬塊完工的防滾籠,不但未依照FIA規範進行設計施工,就連材質都參差不齊,裝上後不僅安全、剛性沒保障,還徒增車重增加油耗、影響性能表現,此外其它搭配防滾籠之保安部品如賽車椅及安全帶更要確實使用,否則遇到意外時因頭撞防滾籠而受傷可就冤了。
 

一般街車安裝防滾籠時,因考量到日後復原或預算問題,無法做到項比賽廠車搬般完整,例如緊接著A、B柱間的鋼管,都會額外透過鋼板與A、B柱進行連接,以徹底補強車身剛性,這樣才是正統的做法。
 

如果想要強化前避震器塔頂的剛性,可以建議將防滾籠從車內延伸到此處,還能減少車頭側向撞擊時,避震器塔頂擠入車艙內的變形量。
 
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問題六:敞篷車剛性較差?
適度補強有其必要


敞篷車由於失去了車頂結構,車體如同開了蓋的四方罐頭一樣,其所失去的結構剛性可不是只有六分之一那麼簡單,說不定剛性只有原結構的一半而已。車廠為了使敞篷車有足夠的車體剛性,只得增加車體結構設計,來彌補因敞篷而喪失的結構強度;然而再怎麼補強,一部敞篷車和非敞蓬車,是難以共同對等的去比較車身強度,且因為敞篷車所補強結構所增加的重量,通常也比非敞篷車來得重許多,因此敞篷車的設計和其操控往往是魚與熊掌不可兼得。
 

由於敞篷車先天少了許多支撐車體的車頂,因此有些參與賽事的廠車為了提高車體強度,都會特別打造防滾籠來補強車體。
 
有些人會想,如果將軟篷蓋起來、或裝上硬頂,是否會達到非敞篷車的強度呢?很遺憾,這樣作一點幫助也沒有,軟篷和硬頂就和車門或車窗一樣,對剛性結構是完全沒有助益的效果。當然了,筆者這裡所說的婉拒敞篷車,是針對同時擁有硬頂及敞篷可供選擇的同一車型而言,並非拒絕所有的敞篷車;所謂世事無絕對,像Honda S2000、Mazda MX-5與BMW Z4等僅有敞篷車型之設計,因這些車款的原始設計便是以敞篷車為出發點,其結構強度便不會有問題產生。
 

如果參加的是車體拉扯比較激烈的賽事,防滾籠的密度就會更高,甚至駕駛座的Side Bar要燒成兩隻,才能減少車身側撞時的車門擠壓程度,保護車手安全。